115 高普考高考三級 航空器維修 定翼機及旋翼機基本原理 考古題詳解

核心觀念

本題考查翼型的臨界攻角，以及失速時翼面氣流、升力與阻力的變化。臨界攻角是翼型升力係數達到最大值時的攻角；攻角繼續增加，翼面氣流無法維持順暢附著，翼型便進入失速狀態。

升力與阻力可分別表示為：

其中 $\rho$ 為空氣密度、$V$ 為相對氣流速度、$S$ 為翼面積，$C_L$ 與 $C_D$ 分別為升力係數與阻力係數。

解題方法

依攻角增加時翼面氣流與升力係數的變化，說明失速過程：

1. **臨界攻角以前：**氣流大致貼附翼面流動。攻角增加時，升力係數通常隨之增加。
2. **達到臨界攻角：**翼面升力係數達最大值 $C_{L,\max}$。

核心觀念

本題考旋翼葉片葉尖的圓周運動速度。葉片每轉一圈，葉尖走過的距離等於旋翼圓周長；再乘上每秒旋轉圈數，即為葉尖線速度。

其中 $D$ 為旋翼總直徑（英呎），$N$ 為轉速（每分鐘轉數，r.p.m.）。除以 $60$ 是將每分鐘轉數換算為每秒轉數。

解題方法

已知直徑 $D=31$ 英呎，轉速 $N=321\ \mathrm{r.p.m.}$，且 $\pi=3.14$。先求每轉一圈的路程：

再將轉速換算為每秒轉數，並乘上圓周長：

核心觀念

邊界層是流體流經翼面時，受黏滯力影響而形成的薄層。由翼面上的無滑移條件可知，緊貼翼面的流速為零；往外離開翼面後，流速逐漸增加，直到接近外部主流速度。工程上常以局部流速達到主流速度約 $99\%$ 的位置，作為邊界層外緣的近似界定。

邊界層內的速度分布與流動狀態，會影響兩項重要特性：一是流體黏滯造成的表面摩擦阻力，二是邊界層能否抵抗翼面後段常見的逆壓力梯度而不發生流動分離。

解題方法

本題依序回答三件事即可：先定義邊界層，再比較層流與紊流的摩擦阻力，最後說明兩者抵抗逆壓力梯度及延遲分離的能力。作答時要分清楚「表面摩擦阻力」與「分離造成的壓力阻力」：兩者來源不同，不能只用「阻力較大或較小」概括。

層流與紊流的差異

核心觀念

橫向流效應（Transverse flow effect）是直昇機由懸停轉入前進飛行初期，旋翼盤左右兩側的相對氣流與升力分布不對稱所造成的現象。此效應會使旋翼盤產生向右的滾轉趨勢（以一般逆時針旋轉旋翼為例），並經由揮舞運動影響葉片姿態。

成因與作用過程

直昇機在懸停時，旋翼下洗氣流大致垂直向下。開始前進後，機身前進速度使旋翼盤前方的氣流受到干擾，下洗流在旋翼盤前半部較弱，後半部則較強。因此，前半部葉片所受的相對氣流較大、升力較大；後半部葉片所受的相對氣流較小、升力較小。

左右兩側升力差使旋翼盤產生滾轉力矩。對一般逆時針旋轉旋翼而言，旋翼盤右側升力較大，因而產生向右滾轉趨勢。這種左右升力不均與其引起的滾轉反應，即為橫向流效應。

對旋翼葉片姿態的影響

旋翼葉片會因升力差而產生差動揮舞：升力較大的一側葉片向上揮舞，升力較小的一側向下揮舞。以一般逆時針旋轉旋翼為例，右側葉片升力較大而上揮，左側葉片升力較小而下揮，使旋翼盤向右傾斜，造成機體向右滾轉的趨勢。

核心觀念

本題考查旋翼在滯空時的地面效應如何改變旋翼下洗流與誘導功率。

• 地面效應內（IGE, In Ground Effect）：旋翼接近地面滯空，地面干擾旋翼尾流向下發展，使下洗流受阻並向四周擴散。
• 地面效應外（OGE, Out of Ground Effect）：旋翼離地較高，尾流可較自由地向下發展，地面對旋翼氣流的干擾很小。

以理想旋翼動量理論表示，滯空時旋翼推力為 $T$、旋翼盤面積為 $A$、空氣密度為 $\rho$，OGE 的盤面誘導速度 $v_i$ 為：

理想誘導功率為：

因此，若要在相同重量下維持滯空，降低誘導速度便能降低誘導功率需求。

解題方法

比較 IGE 與 OGE 時，先固定滯空條件：直升機重量與所需推力相同，再比較地面對尾流的影響。

OGE 時，旋翼必須持續將空氣向下加速，以產生支撐機體重量的推力。尾流能自由向下發展，旋翼需建立較大的誘導流，因而需要較高的誘導功率。