115 高普考高考三級 航空器維修 航空發動機基本原理 考古題詳解

核心觀念

本題考查 AC 43-005A 所涉之發動機翻修時距使用率，以及大修理、大改裝完成後，負責「簽證恢復可用」者的資格。恢復可用簽證代表簽證人確認工作已依適用技術資料完成，並符合適航要求；執行人員須具備相應檢定資格與簽證權限。

法規題以命題當年（民國 115 年）法規為準。相關資格依《航空產品與其各項裝備及零組件適航維修管理規則》及《航空人員檢定給證管理規則》判斷。

解題方法與作答

（一）發動機翻修時距使用率

發動機翻修時距使用率須達 95% 以上。

「時距使用率」是已使用時距占核定或原定翻修時距的比例。若發動機核定翻修時距為 $T$，實際使用時距為 $t$，則：

本題問的是門檻，直接答「百分之九十五以上」即可。注意這是發動機翻修時距的門檻，不要與其他維護項目的使用率混淆。

（二）第 7 項「簽證恢復可用」人員資格

作答時應從「具備何種檢定資格」、「簽證權限範圍」及「能否勝任該機型工作」三方面說明：

1. 持有相應航空器維修工程師檢定證，並依檢定類別及航空器型別加註，執行其權限範圍內的工作與恢復可用簽證。不同類別的權限不同；例如，B1 類涉及機體及發動機等機械系統，C 類可於航空器完成非停機線維修工作後簽證整架航空器恢復可用。

（一）機械學中功的定義

核心觀念： 功（Work）描述力使物體沿力的方向發生位移時所傳遞的能量。功是純量，單位為焦耳（J）。

解題方法： 當力 $\mathbf{F}$ 使物體產生位移 $\mathbf{s}$ 時，功為力與位移的內積：

其中 $\theta$ 是力與位移方向的夾角。若力的大小或方向隨位置改變，則以沿路徑的線積分表示：

當力與位移同方向時，功為正；反方向時，功為負；兩者垂直時，功為零。

解題技巧： 答題時要點出「力造成位移」以及方向關係。只有施力但沒有位移，不作機械功。

（二）牛頓第三運動定律與航空引擎推力

核心觀念： 牛頓第三運動定律指出，物體甲對物體乙施加作用力時，乙會對甲施加大小相等、方向相反的反作用力。航空引擎藉由向後加速排出空氣與燃燒氣體，產生向前的推力。

解題方法： 引擎將空氣吸入，經壓縮、燃燒與渦輪作功後，使排氣以較高速度向後噴出。引擎對排氣施加向後的力；排氣則對引擎施加等大反向的力，使飛機向前。以動量觀點表示，推力主要來自排氣流與進氣流之間的動量差；若考慮壓力推力，常用簡化式表示為：

其中 $\dot{m}$ 為質量流率，$V_e$ 為排氣速度，$V_0$ 為飛行速度，$p_e$ 為噴口出口壓力，$p_0$ 為周圍壓力，$A_e$ 為噴口出口面積。當出口壓力與周圍壓力相等時，壓力推力項為零。

解題技巧： 用「向後排出質量流，獲得向前反作用力」說明作用與反作用；若要補充公式，須區分動量推力與壓力推力。

（三）白努利定律在引擎發散形進氣道中的氣流特性

核心觀念： 白努利定律描述穩定、不可壓縮、無黏性流動中，沿同一流線的靜壓、動壓與位能總和保持不變。對高度變化可忽略的流動，可寫為：

其中 $p$ 為靜壓、$\rho$ 為密度、$V$ 為流速。

核心觀念

本題考的是燃燒室如何藉由控制局部燃油與空氣的比例、火焰溫度、混合速度及高溫停留時間，同時抑制氮氧化物（$NO_x$）與碳微粒（Smoke，主要由碳煙粒子構成）。

$NO_x$主要在高溫燃燒區由空氣中的氮與氧反應生成；火焰溫度越高、氣體在高溫區停留越久，生成量通常越大。碳煙則容易在燃油過濃、氧氣不足、混合不均或燃油霧化不佳的局部區域生成。換言之，降低$NO_x$與減少碳煙需要兼顧燃燒區域的溫度與油氣混合狀態。

以當地燃油與空氣比例表示，可用當量比$\phi$說明：

其中$\phi>1$代表富油，$\phi<1$代表貧油。燃燒室內各區域的局部當量比與溫度分布，比全燃燒室的平均油氣比更能說明污染物如何生成。

解題方法

作答時，先說明兩種污染物的生成條件，再以現代低污染燃燒室的分區與分級供油、供氣設計，說明如何利用燃燒分區處理兩者的生成與消除。典型作法是富油燃燒、快速混合淬熄、貧油燃盡（Rich burn–Quick mix/quench–Lean burn，RQL）。

一、富油區抑制$NO_x$

燃燒室前段設計為富油區，使燃油相對充足、氧氣不足。在此缺氧環境下，抑制高溫下由空氣氮生成$NO_x$的反應。

但富油區有形成碳煙的傾向，因此只採取富油燃燒並不能同時解決兩種污染；必須接續設計快速混合與貧油燃盡區。

二、快速混合／淬熄區抑制污染物生成

在富油區下游，以適當配置的稀釋孔、噴流及混合器，迅速導入大量空氣，使高溫富油燃氣快速轉為貧油混合氣。此設計重點是縮短燃氣停留在容易生成$NO_x$或碳煙的局部條件下的時間，避免形成長時間存在的高溫區或富油區。

因此，快速淬熄不只是「加入空氣」，還要求空氣能迅速且均勻地與燃氣混合；若混合太慢，局部高溫或富油區仍會持續生成污染物。

核心觀念

發動機趨勢監控（Engine Trend Monitoring）是定期在可比較的穩定運轉條件下，記錄發動機性能參數，經環境與功率條件修正後，與基準值比較並追蹤其長期變化。目的在於及早發現性能衰退或異常，協助故障診斷與預防性維修。

渦輪發動機性能會隨使用時間改變，例如壓縮機污損或磨耗、葉片損傷、密封間隙增加，或燃油控制系統異常。這些變化未必立即超過操作限制，但會逐步反映在轉速、排氣溫度及燃油流量等參數的關係上。

偏差（Delta）表示實際觀測值與基準或修正後預期值之差，可表示為：

其中 $X$ 可為 $N_1$、$N_2$、$EGT$ 或 $W_f$。趨勢監控重點是追蹤這些偏差隨時間的方向與幅度，而非只看單次讀值是否超限。

解題方法

作答時可依「建立基準—取得可比資料—計算偏差—追蹤並判讀」說明：

1. **建立基準值：**選定發動機健康時的基準資料，或依製造商程序採用基準值。比較前須固定或修正推力設定、飛行高度、馬赫數、外界溫度、引氣狀態及其他影響性能的條件。
2. **定期取得資料：**在相同或經標準化的運轉條件下，記錄 $N_1$、$N_2$、$EGT$ 與 $W_f$。
3. **計算並繪製偏差：**將各次觀測值與相應基準值比較，按時間繪製偏差趨勢；依製造商程序判讀，不以單一數據點逕自判定故障。
4. **交叉判讀：**觀察多項參數是否同時或按關聯方式改變，再結合維修紀錄與檢查結果，判斷是否有性能退化或特定故障徵兆。

核心觀念

本題考查燃油控制器（FCU）如何依壓縮機排氣壓力 $P_3$ 安排加速燃油流量。加速時，燃油增加太快，燃燒室出口溫度會急升，渦輪可能超溫；同時壓縮機轉速與通過的空氣流量尚未跟上，工作點便可能逼近失速／喘振界線。燃油增加太慢，則可能造成燃燒不穩甚至熄火。

$P_3$ 是壓縮機出口、燃燒室入口附近的壓力訊號，可反映核心機壓縮機的運轉狀態。傳統液壓機械式 FCU 可用燃油流量與 $P_3$ 的比值 $W_f/P_3$ 作為控制參數，配合轉速等訊號限制燃油供應。電子式控制系統則可將 $P_3$ 納入燃油排程計算。

解題方法

作答時依序說明「感測 $P_3$、限制燃油增加率、隨壓縮機狀態逐步放寬」：

1. **感測壓縮機狀態：**FCU 接收 $P_3$，判斷壓縮機排氣壓力及其變化。加速初期核心機轉速低、壓縮機可承受的燃油增加量有限，FCU 不會因油門快速前推便立即供給大量燃油。
2. **設定加速燃油上限：**FCU 依 $P_3$ 與轉速等訊號安排允許的燃油流量或 $W_f/P_3$ 比值。當燃油需求超過當下允許值時，FCU 限制計量燃油；