107 高普考高考三級 航空駕駛(選試直昇機飛行原理) 載重平衡 考古題詳解

核心觀念

本題測驗直昇機載重平衡（Weight and Balance）之幾何座標系統定義與力矩正負值判定準則。直昇機因飛行控制特性（週期變距桿操控範圍有限），對「前後重心」（Longitudinal CG）與「橫向重心」（Lateral CG）皆有極嚴格之限制，故須建立雙軸向之量測座標系統：

1. 前後向座標（Longitudinal Axis / Station）：以基準線（Reference Datum）為原點測量前後力臂（Longitudinal Arm）。
2. 側向座標（Lateral Axis / Buttock Line）：以機身對稱中心線（Buttock Line 0, BL 0）為原點測量橫向力臂（Lateral Arm）。
3. 力矩計算基本公式： $\text{Moment (力矩)} = \text{Weight (重量)} \times \text{Arm (力臂)}$

解題方法

本題為標準的航空公職專業科目申論題，作答時切入點應涵蓋「物理/幾何定義」、「基準點選定位置」與「數學符號判別規則」：

1. (一) 基準線意義：由定義出發，說明基準線為一虛擬垂直平面（或線），是一切前後向距離量測之起點（Station 0），並舉出原廠常見之設定位置（如機鼻前方、發動機防火牆、旋翼軸中心線等）。
2. (二) 基準線力矩正負：由 $M = W \times A$ 出發，分別定義重量（增加為正、移除為負）與力臂（基準線後方為正、前方為負）之符號，推導兩者相乘後所得之縱向力矩正負。
3. (三) 縱剖線位置意義：說明縱剖線（Buttock Line, BL）為平行於機身垂直對稱面（BL 0）之垂直平面，用以量測左／右側之橫向力臂，並指出直昇機為何必須計算橫向重心。
4. (四) 縱剖線力矩正負：依據國際民航與原廠規範（如 FAA-H-8083-1 載重平衡指引），說明右側（通常定義為正力臂）與左側（定義為負力臂）與重量增減相乘後的力矩正負判定。

選項分析

本題為申論問答題（非選擇題），依命題規範逐小題進行評分要點與答題架構剖析：

• 第 (一) 小題（5分）之評分要點：
• 須寫出「垂直平面/線」、「前後向距離（力臂）之測量基準」及「原點（Station 0）」三個關鍵詞。若僅回答「量距離的線」未提及垂直基準平面或站位（Station），無法得滿分。
• 第 (二) 小題（5分）之評分要點：
• 須完整交代「力臂方向」（以 Datum 為界，後方 $+$, 前方 $-$）以及「重量狀態」（裝載/增加 $+$, 卸載/移除 $-$）對乘積力矩之綜合影響。若只單純說明力臂正負而忽略重量增減，會失分。
• 第 (三) 小題（5分）之評分要點：
• 須說明 BL 是「平行於縱向對稱面之垂直平面」、以機身中心線為 BL 0（Buttock Line Zero），並點出其專門用於測量「橫向力臂（Lateral Arm）」與計算「橫向重心（Lateral CG）」。
• 第 (四) 小題（5分）之評分要點：
• 須明確寫出通用的橫向力臂符號約定：機身中心線以右為正（$+$）、以左為負（$-$），並推導計算所得橫向力矩（Lateral Moment）正負值。

解題技巧與常見陷阱

1. 直昇機與定翼機之差異陷阱：

• 定翼機大多只要求前後重心計算（除非單側油箱嚴重不平衡）；但直昇機旋翼盤向左右側傾斜之角度餘裕極小（防打擊尾桁或機械極限限制），橫向平衡（Buttock Line 系統）為直昇機必考核心。

2. 力矩正負的「雙重負號」陷阱：

• 考生最常忘記「卸載項目（Removed items）」重量為負值（$-W$）。
• 若自基準線前方（$-A$）移除裝備（$-W$），其力矩為正值： $(-W) \times (-A) = +M$
• 答題時務必分別列出「力臂正負」與「重量正負」之相互作用，展現扎實觀念。

3. 基準線（Datum）位置的相對性：

• 部分機種若將 Datum 設於最前端機鼻（Nose）甚至機鼻前方某處，則機上所有設備之後向力臂皆為正值（$+A$），無負力臂產生。

【答案】

核心觀念

本題評量直昇機載重平衡（Weight and Balance）實務作業之基礎定義與秤重現場標準作業程序（SOP），依據民航法規（以命題當年民國 107 年之標準）及《民用航空局航空器載重與平衡實務規範》（參照 FAA-H-8083-1 規範），重點涵蓋以下核心觀念：

1. 站位（Station, STA）之座標幾何定義：直昇機縱向、橫向與垂直空間位置之標註系統，以及站位與力臂（Arm）在力矩平衡方程式 $\text{Moment} = \text{Weight} \times \text{Arm}$ 中的等價關係。
2. 皮重（Tare Weight）之定義與量測原理：秤重過程中非屬航空器本體配備之輔助承載器材重量。
3. 皮重之數據處理程序：毛重（Scale/Gross Weight）、淨重（Net Weight）與皮重（Tare Weight）之數學扣除關係，及其在個別秤重點力矩計算中的修正。
4. 秤重場所環境管制要件：包含氣流隔離、地坪結構平整度、水平調平（Leveling）機制、清潔溫控及靜電接地等環境限制。

解題方法

本題為申論與名詞解釋題型，各小題配分均為 5 分，作答切入點與層次規劃如下：

• 第 (一) 小題：先定義「站位」的物理意義（相對於基準面的距離標記），再說明其在直昇機三度空間座標與力矩、重心（CG）計算中的數學意義，最後點出工程與操作手冊（RFM/AMM）上的標準化溝通功能。
• 第 (二) 小題：精確定義「皮重」，並列舉秤重作業中常見的皮重物件（如千斤頂接頭、阻輪楔、墊木等），明確劃分其與機身空重（Empty Weight）之界限。
• 第 (三) 小題：以數學式說明淨重之求取方式（$\text{Net Weight} = \text{Gross Weight} - \text{Tare Weight}$），並依量測程序區分「機械/電子扣重歸零法」與「事後秤量扣除法」，說明其對各磅秤反作用力點力矩計算之影響。
• 第 (四) 小題：歸納現場環境五大要素（氣流管制、場地強度與平整度、調平條件、清潔乾燥度、安全與環境溫控），以列點方式精準呈現應注意之管制細節。

解題技巧

1. 專有名詞精確度：作答時須帶出英文專有名詞（如 Reference Datum、Station、Arm、Tare Weight、Leveling），能向閱卷委員展現專業度。
2. 站位與力臂的連結：論述分站位時，務必說明「在縱向載重平衡中，分站位數值通常即為該位置之力臂值」，此為載重平衡計算的核心轉換樞紐。
3. 皮重處理的陷阱防範：皮重「只能從磅秤讀數中減去，不可加計」，且必須在計算「全機總力矩（Total Moment）」前，先將個別秤重點的皮重自該點毛重中扣除，以取得各反應點之「淨重（Net Reaction Weight）」。
4. 秤重場所口訣記憶：記住「密閉無風、硬質水平、完全調平、乾燥清潔、安全接地」五大原則，答題即可面面俱到。

【答案】

(一) 直昇機分站位（Station）的意義

1. 物理空間定位： 站位（Station，簡稱 STA）是指沿直昇機縱軸（或機身特定方向），自原廠設定之基準面（Reference Datum）​起算的一處特定垂直截面位置，通常以英吋（inches）或公釐（mm）為距離度量單位。
2. 力矩計算之力臂基準： 在直昇機載重平衡計算中，某設備、油箱、乘員或裝載物所在的分站位數值，即代表該酬載相對於基準面的力臂（Arm）。其數學關係為： $\text{Arm} = \text{Station Number}$ 全機各項重量乘以其所在站位即得力矩（Moment），是推導直昇機總重與重心（Center of Gravity, CG）位置的計算基礎： $\text{總力矩} = \sum (\text{重量}_i \times \text{站位}_i)$

核心觀念

本題考核直昇機在「高密度高度（High Density Altitude）」及「高地理高度」環境下的載重與平衡（Weight and Balance）實務應用，核心概念涵蓋：

1. 性能限制總重（Performance-Limited Gross Weight）：依據旋翼機飛行力學，空氣密度隨高度增加而遞減（密度高度升高）。直昇機在高高度飛行時，發動機可用馬力（Available Power）下降，旋翼葉片所能產生的升力減小、誘導阻力增大，所需馬力（Required Power）增加。因此，最大起飛與著陸重量不得受限於結構最大起飛重量（Structural MTOW），而必須依據飛航手冊（RFM）的地效懸停（HIGE）、無地效懸停（HOGE）及爬升率等性能圖表計算出嚴格的「性能限制重量」。
2. 操縱餘裕（Control Margin）與重心包皮（CG Envelope）緊縮：在高高度稀薄空氣中，旋翼葉片需要更大的攻角與變距角才能產生足夠的控制力矩，導致週期變距桿（Cyclic Stick）與防扭尾旋翼腳舵（Anti-torque Pedals）的操縱行程與餘裕大幅縮小。重心過度前移、後移或側移，將使飛行員在懸停或改平時拉到操縱極限（Stick Stop），產生操控失效的危險。
3. 動態航程重心轉移（In-flight CG Travel）：長途爬升至 $8{,}000$ 呎以上需消耗大量燃油，燃油箱配置與消耗順序將改變飛機重心位置；若伴隨山區吊掛、物資拋投或人員索降，重量及重心的動態變化必須全程落在安全包皮內。
4. 法規與應急裝備重量排擠：依命題當時（民國 107 年）之《航空器飛航作業管理規則》（AOM）規範，高高度飛航必須考量增裝供氧設備（攜帶型氧氣瓶、面罩）、防寒救生設備與備用燃油，這些法定必備裝備將直接增加空重（Empty Weight），進一步壓縮有用載重（Useful Load）。

解題方法

本題為標準的航行技術與載重平衡申論題，切入點應採「物理環境限制 $\to$ 性能載重核算 $\to$ 靜態與動態重心管理 $\to$ 法規與裝備配置」的四維架構層層推導：

1. 從大氣條件推導重量極限： 高度 $8{,}000$ 呎以上伴隨低氣壓與多變氣溫，應以「密度高度」而非「壓力高度」核算。 $\text{密度高度} \approx \text{壓力高度} + [120 \times (\text{外界大氣溫度 } \mathrm{OAT} - \text{標準大氣溫度 } \mathrm{ISA})]$ 在高密度高度下，必須依目的地及備降場之 HOGE/HIGE 限制計算出容許起飛與降落重量，採取嚴格的「減重策略」。
2. 從空氣動力與操縱幾何推導重心限制： 分析尾旋翼因空氣密度降低，抗扭力效能衰減，若橫向重心偏向需要較大踏舵的一側，或縱向重心位於極端，極易誘發「尾旋翼效能喪失（LTE）」或操縱桿見底。故高高度載重平衡之重心必須採「偏中央偏保守」原則配置。
3. 從航程剖面推導全程重心歷程： 計算起飛重量與重心（Takeoff Weight & CG）、無燃油重量與重心（Zero Fuel Weight & CG）以及著陸重量與重心（Landing Weight & CG），確保在爬升、巡航、耗油至落地各階段，重心均位於包皮中央安全區間內。

選項分析

（註：本題為高考三級申論題型，非選擇題。以下依考選部評分標準，將答題核心要素逐項進行申論評析與論述結構拆解）：

1. 最大容許總重限制（Gross Weight Limitations）

• 應注意事項：不可使用結構最大起飛重量（Structural MTOW）作為放行標準。必須查閱飛航手冊（RFM）之 HOGE 與 HIGE 性能圖表，以起飛點、航路最高安全高度（MEA）及預計降落點（特別是高山停機坪）之密度高度，決定「性能限制總重」。
• 理由：若總重超過當前密度高度下的 HOGE 限制，直昇機在山區突遇下沉氣流或進場終端減速脫離有效平飛轉移升力（ETL）時，將因沉降率無法抑制（Settling with Power / Vortex Ring State）而失事。

2. 縱向與橫向重心餘裕（Longitudinal and Lateral CG Margins）

• 應注意事項：重心位置必須嚴格遠離前、後、左、右極限，保留足夠的操縱餘裕。
• 理由：高高度空氣稀薄，週期變距的效能（Cyclic Control Authority）顯著下降。若重心偏前，減速懸停時可能向後拉桿到底仍無法抬頭；若重心偏後，高空強風逆風穿透時向前推桿餘裕不足；

核心觀念 本題以命題當年（民國 107 年）之法規為準，核心法源為《民用航空法》及《航空器飛航作業管理規則》（AOM）。交通部民用航空局核發給航空業者之「營運規範」（Operations Specifications, OpSpecs）具有法定行政效力，直昇機載重及平衡管制系統（Weight and Balance Control System）必須明列於營運規範或經民航局核准之航務手冊內。 直昇機載重平衡之核心特性在於旋翼控制力矩有限，除與固定翼飛機相同的「縱向重心（Longitudinal CG）」限制外，更具備嚴格的「橫向重心（Lateral CG）」及「地面效應內／外懸停（HIGE / HOGE）重量限制」，營運規範旨在透過制度化程序，確保直昇機於裝載、起飛、巡航至落地之全階段皆在安全包線（CG Envelope）內運作。（現行法法條架構與文字雖經後續修訂，但載重平衡管制之法定核心要件實質相同）。

解題方法 本題為公職考試「航空法規與作業實務結合」之標準申論題。解題切入點應採「體系化分層架構」：

1. 法規依據與手冊基準：直昇機載重平衡系統之合法性來源及與《直昇機飛航手冊》（Rotorcraft Flight Manual, RFM）之連動。
2. 基底重量建立：航空器定期秤重週期與空重、空重重心之測定程序。
3. 載重推估與計算基準：旅客、組員、貨物／行李（實重或核准標準重）及燃油動態位移之計算方式。
4. 極限符合性管制：雙軸重心（縱向與橫向）及重量極限之管制。
5. 文件簽署與紀錄留存：載重平衡艙單（Load Manifest）之法定填記、簽署與地面保存義務。
6. 專項與特殊任務作業：外載吊掛或特殊裝載之程序規範。

選項分析 本題為申論問答題，無選擇題選項；依考選部評分標準，本題針對營運規範中直昇機載重平衡之「各項實質構成要件」進行系統性剖析：

1. 航空器秤重與空重管制要件： 營運規範要求航空器不得僅憑出廠數據永久飛行，必須建立定期秤重制度（通常為每三年，或於重大修理、改裝後重新秤重），並隨時更新基本空重（Empty Weight）與基本重心位置，此為所有載重計算之基石。
2. 直昇機雙軸重心與性能限制要件： 相較於固定翼飛機，直昇機受限於側向循環旋翼控制裕度，橫向不平衡將導致嚴重的操縱性問題。因此營運規範內載重平衡項目必須同時管制縱向與橫向重心包線，並結合大氣溫度與壓力高度，規範 HIGE／HOGE 最大允許重量。
3. 人員與載荷計重依據要件： 載重平衡不能由業者自由臆測。營運規範明定業者得使用「實際稱重（Actual Weight）」或經民航局核准之「標準平均重量（Approved Standard Weight）」。由於直昇機客座數普遍較少，單一乘客體重誤差對重心的敏感度遠高於大型客機，規範嚴格限制標準重量之適用範圍與條件。
4. 載重平衡表（艙單）與留存要件： 明定飛航前必須產出書面或電子載重平衡表（Load Manifest），且載明組員、乘客、貨物重量與重心計算結果，經合格簽派／裝載人員及機長（PIC）確認簽署。起飛前必須將副本留置於地面基地，且地面紀錄依法必須保存至少三個月以上，以供民航局查核。

解題技巧

1. 記憶口訣「秤、限、算、單、責」：

• 秤：秤重週期、程序與空重基準維護。
• 限：雙軸重心極限（縱向＋橫向）與各階段重量限制。

核心觀念

本題考查民航營運人（航空業者）依民用航空法規所建立之「載重與平衡管制計畫（Weight and Balance Control Program）」及編纂「載重與平衡手冊（Weight and Balance Manual / Control Manual）」之法定要件與實務內容。

以命題當年（民國 107 年）法規為準，法源與規範依據主要包含：

1. 《航空器飛航作業管理規則》（AOMR）：規定航空業者必須建立確保航空器於裝載後之重量與重心均在原廠手冊（AFM）核准限制範圍內之程序，並指定合格人員編製、審核與簽發載重平衡表（Loadsheet）。（現行法規條文架構亦維持相同管制精神）。
2. 民航局作業規範及參照標準（如 ICAO Annex 6、美國 FAA AC 120-27）：規範手冊內容必須涵蓋機隊基礎數據、標準載重定義、計算程序、裝載監督與限制、最後一刻變更（LMC）與緊急備援流程，以形成標準作業程序（SOP）。

解題方法

本題為標準的公職體系「法規與作業實務整合型申論題」。解題切入點應避免雜亂堆疊零散名詞，必須依據航空作業之「系統工程邏輯」與「PDCA 管理架構」，將手冊內容依序拆解為五大專業模組：

1. 組織體系與權責劃分（誰負責執行與簽署）
2. 機隊基準數據與極限包皮線（飛機本身的物理限制）
3. 標準載重與裝載計算基準（乘客、行李、貨物與燃油之依據）
4. 裝載作業、文件簽發與現場監控程序（日常排程與作業流程）
5. 例外變更、系統備援與品質稽核（風險控制與最後一刻變更）

透過模組化分層條列，並帶出關鍵專業術語（如 BEW、CG Envelope、%MAC、LMC、Loadsheet 等），可向閱卷委員展現兼具法規遵循與第一線航務簽派之專業度。

選項分析

本題為申論題型，無選擇題選項。此處針對考場上最容易遺漏、但屬於評分核心要點的「手冊關鍵資訊構件」進行評析：

1. 基本空重（BEW）與定期稱重週期管理：

• 必備資訊：若手冊只記載飛機出廠重量，未訂定定期秤重週期（如每 3 年）與改裝設備清單變更程序，將導致累計空重失真。

2. 標準重量（Standard Weights）採用準則：

• 必備資訊：必須明定何時可採用統計標準重量（如成人、兒童、嬰兒、季節性冬/夏季體重、標準行李重），何時強制實際稱重（如包機、特殊團體、非標準貨物），避免裝載超限。

3. 最後一刻變更（Last Minute Changes, LMC）程序：

• 必備資訊：實務上極常因臨時增減旅客或行李而變更，手冊若無界定 LMC 的重量上限與重心重新計算門檻，將直接癱瘓簽派與起飛流程。

4. 失效備援作業（Manual Backup Procedures）：

• 必備資訊：現行作業多仰賴電腦化離港管制系統（DCS），手冊必須提供「人工作業表格（Manual Trim Sheet）」及換算圖表，以因應通訊或系統當機。

解題技巧

1. 記憶口訣與心法：記住「人、機、載、程、應」五字訣：

• 人：人員權責（簽派、機師、裝載督導）。
• 機：機械數據（空重、重心包皮線、艙位載重極限）。
• 載：載重標準（標準重量、油量、危險品裝載）。
• 程：作業流程（計算、裝載指引、載重平衡表簽放）。
• 應：應變稽核（LMC 程序、人工備援、定期稽核）。