108 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

本題考查直昇機重量增加後，對懸停、爬升、航程及操縱性能的影響，以及飛行員如何透過重量與載重管理，維持飛行安全。直昇機必須由旋翼產生足以平衡重量的升力；重量越大，維持同一飛行狀態所需的旋翼推力越大，發動機功率需求也隨之提高。

載重平衡還須確認重心（Center of Gravity, CG）在核准範圍內。重量決定性能需求；重心位置則影響縱向、橫向操縱與穩定性，兩者都要納入飛行前規劃。

重量改變對飛行性能的影響

1. 懸停能力與所需功率 懸停時旋翼須產生與直昇機重量相等的推力。重量增加會提高旋翼負荷與誘導功率需求，使懸停所需功率上升；若超過可用功率或最大起飛重量限制，便無法安全懸停或起飛。高溫、高海拔及高密度高度會降低可用性能，因此超重的影響更顯著。

2. 爬升性能 爬升所需的功率可概念化表示為： $P_{\text{爬升需求}}=P_{\text{維持飛行}}+W V_{\text{垂直}}$ 其中 $W$ 為重量，$V_{\text{垂直}}$ 為爬升率。重量增加時，維持飛行與爬升所需功率均增加；在可用功率一定時，剩餘功率減少，爬升率下降，甚至無法維持爬升。

3. 巡航、航程與續航力 重量增加通常使維持飛行所需的旋翼功率及燃油流量提高；在燃油量相同時，續航時間與可飛航程因而縮短。若要維持原有航程或續航時間，須重新計算燃油需求與載重配置，並確認不超出重量限制。

4. 起降與操縱性能 重量較大會提高起飛、加速、爬升與著陸所需的性能裕度，並增加落地時的動能與結構負荷。若重量分布不當、重心超出核准範圍，則可能造成操縱力增加、操縱行程不足，或降低操縱與穩定能力。

5. 重量減少的效果 減重通常可降低旋翼負荷及功率需求，增加可用爬升餘裕，並改善高溫、高海拔環境下的起降性能。但重量減少不代表重心必然正確；燃油消耗也會使重量及重心隨飛行時間改變，仍須確認全程都在限制範圍內。

解題方法

核心觀念

航空器稱重的目的，是取得實際的基本重量及其重心位置，據以編製或更新載重平衡資料。航空器經使用、維修、設備拆裝或改裝後，重量與重量分布可能改變；若仍沿用過時的基本重量或重心資料，載重計算就會失準。

稱重資料會用於計算各種裝載狀態下的總重量與重心，確認航空器符合重量及重心限制。其基本關係為：

其中 $W_i$ 為各項重量，$A_i$ 為該重量相對於參考線的力臂。

解題方法：為何要稱重（8 分）

作答時可從「建立正確基準」與「確保飛航限制」兩方面說明：

1. 確認實際基本重量與重心位置：稱重可取得航空器現況的重量與重心資料，作為載重平衡計算的基準。
2. 掌握重量與重心變動：維修、零件更換、設備增減或改裝，均可能改變航空器重量及力臂分布；稱重可反映這些變化。
3. 確保裝載後符合操作限制：依正確的基本重量及重心資料，計算裝載後的重量與重心，確認未超出限制。
4. 維持飛航安全與性能：超重會影響性能及結構負荷；重心超限則會影響操控、穩定性與飛航安全。

解題方法：稱重間隔與時機（12 分）

命題當年法規：以民國 108 年法規為準。​當時適用的規定為航空器基本重量平衡稱重原則上每二年一次。因特殊情形不能按期辦理者，得依當時規定延展；在符合延展條件時，距前次稱重最長不得超過四年。

除定期稱重外，重量或重心變化達到規定門檻時，也須重新稱重：

核心觀念

本題考「壓載物（ballast）」在載重平衡中的功能，以及放置時如何兼顧重心、總重量與飛航安全。壓載物是為了調整飛機重量與重心而加入的重量；它不增加有效載重，反而會占用可用載重，因此只有在調整載重配置仍無法符合限制時，才依核准資料使用。

飛機總重量與重心位置依重量、力臂及力矩計算：

因此，壓載物的效果取決於其重量及相對於基準面的力臂。加在重心前方會使重心前移；加在重心後方會使重心後移。壓載物只能在飛機核准的重量與重心範圍內調整，不能藉此超過最大起飛重量或其他結構、操作限制。

解題方法

作答分成兩部分：先說明「為何使用」，再列出「如何安全使用」。用途的核心是修正重量分布，使重心落在核准範圍內；操作事項則要涵蓋核准位置、重量計算、固定、紀錄及重新確認載重平衡。

壓載物的目的

1. 將重心調回核准範圍：當人員、燃油、裝備或貨物的分布使重心偏前或偏後時，可在適當位置加置壓載物，使總力矩與總重量的比值符合核准重心範圍。
2. 補償重量配置不均：任務裝備或載重配置造成飛機前後重量分布不平衡時，壓載物可補足所需力矩，協助保持操縱與穩定性。
3. 符合特定構型或操作要求：某些飛機在特定裝備、任務或載重狀態下，須依飛機飛行手冊、重量平衡資料或核准改裝資料加裝固定或可拆式壓載物。

操作放置壓載物的注意事項

1. 依核准資料選定位置與重量：應遵照飛機飛行手冊、重量平衡資料、型別檢定資料或核准改裝文件，不得任意選擇位置或以經驗估放。
2. 先計算重量與力矩：將壓載物重量及其力臂納入總重量、總力矩，再計算修正後重心；

核心觀念

本題考查直昇機載重平衡中的力矩法。重心位置等於總力矩除以總重量：

各項力矩以重量乘以相對鼻端參考位置的力臂計算。題目所列距離均在參考位置後方，因此力臂取正值。燃油消耗時，須同時扣除燃油重量及其力矩。

解題方法

（一）準備起飛返回基地前

先計算空重、兩位飛行員、剩餘燃油及四位山友的總重量與總力矩。

因此重心位置為：

許可範圍為參考位置後 130～145 英吋，$141.67$ 英吋落在範圍內，故準備起飛返回基地時重心位置符合許可範圍。

（二）消耗 200 磅燃油後降落

燃油力臂為 150 英吋。消耗燃油使總重量減少 200 磅，總力矩減少：

核心觀念

本題考查載重位置對重心（Center of Gravity, CG）及縱向穩定性、操縱性的影響。機身後段載重增加時，若未以其他方式平衡，會使重心向後移；若重心超過飛機核准的後限，飛機便處於後重心狀態。

載重平衡以力矩計算：

新增重量位於原重心後方時，會增加後方力矩，使總重心後移。須區分「後段載重較大」與「重心超過後限」：前者描述載重分布，是否超限仍須依載重與力臂計算；若後段局部載重超過結構限制，也另有結構安全問題。

解題方法

先判斷後段載重對重心的方向，再依重心後移推論飛行特性。對一般固定翼飛機而言，重心位於機翼升力中心附近的適當範圍內，才能維持所需的縱向穩定性與操縱能力。重心過度後移時，重心與升力中心的相對位置改變，飛機的縱向靜穩定性下降；操縱面修正俯仰姿態的餘裕也會減少。

飛行中可能發生的影響

1. 縱向穩定性降低 飛機受擾動後，較不易自行恢復原俯仰姿態，俯仰變化可能更敏感，飛行員需要更頻繁地修正。