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

核心觀念

本題的核心評量重點為旋翼空氣動力學中的反作用扭矩效應（Torque Effect）​及單主旋翼直昇機之後方反扭矩控制系統（Anti-Torque Systems）。

1. 牛頓第三運動定律（作用力與反作用力）： 發動機驅動主旋翼旋轉時，空氣對主旋翼葉片產生的氣動阻力力矩，會透過主減速齒輪箱等機構對機身產生大小相等、方向相反的反作用扭矩 $\tau_{\text{react}}$。 $\tau_{\text{react}} = -\tau_{\text{rotor}}$
2. 偏航軸平衡方程（Yaw Axis Equilibrium）： 依據旋轉運動方程式，欲消除機身繞垂直軸（$Z$ 軸）的角加速度（即消除順時針偏轉），系統之合力矩必須為零： $\sum M_z = I_z \alpha_z = 0 \implies \tau_{\text{react}} + \tau_{\text{counter}} = 0$ 當主旋翼為逆時針（CCW）旋轉，機身承受之反作用扭矩為順時針（CW，機頭向右偏、機尾向左偏）。因此，反扭矩機構必須在機尾產生向右（朝機身右舷）的側向推力 $T_{\text{tail}}$，藉由力臂 $L_{\text{tail}}$ 形成逆時針（CCW）的反向扭矩： $\tau_{\text{counter}} = T_{\text{tail}} \times L_{\text{tail}}$

解題方法

本題為申論繪圖題，解答應先界定受力方向與力矩平衡幾何關係，再針對單主旋翼直昇機最經典、實用的三種反扭矩機構（傳統開放式尾旋翼、涵道式尾旋翼、無尾旋翼系統）進行結構繪圖與運作機制說明。

機身受力與旋轉方向總體俯視幾何關係

 [機頭 Forward]
 ▲
 │
 ┌─────┴─────┐
 │ │
 主旋翼轉向 │ 機身 │
 (CCW 逆時針) │ (CG) │ 反作用扭矩 τ_react
 ↺ │ │ (CW 順時針)
 └─────┬─────┘ ↻
 │
 │ 尾樑 (力臂 L_tail)
 │
 ▼
 [機尾 Aft] ──── 推力 T_tail (向右) ──►
 產生 CCW 反扭矩: τ_counter = T_tail × L_tail

機構一：傳統開放式尾旋翼（Conventional Tail Rotor）

1. 機構圖解

 尾旋翼軸 (由尾傳動軸驅動)
 │
 ▼
 ┌───────────────────┐
 │ 變距滑套機構 │ ◄─── 連接腳舵 (Pedals)
 └─────────┬─────────┘
 │
 ┌────┴────┐
 │ 旋翼轂 │
 └────┬────┘
 ┌──────────┴──────────┐
 ▼ ▼
 ┌───────────┐ ┌───────────┐
 │ 尾旋翼葉片│ │ 尾旋翼葉片│
 └─────┬─────┘ └─────┬─────┘
 │ │
 └─────── 迎角調整 ────┘
 │
 氣流向左排出 (Airflow) ◄─── 產生向右推力 (T_tail)

2. 運作方式

• 動力傳遞：主發動機動力經由主變速箱（MGB），透過尾傳動軸（Tail Rotor Drive Shaft）及中間、尾部減速齒輪箱，帶動尾旋翼以固定傳動比恆速旋轉。
• 變距推力產生：尾旋翼本質為小型可變螺距螺旋槳。飛行員踩踏偏航腳舵（Anti-Torque Pedals）時，透過機械連桿或液壓伺服推動變距滑套（Pitch Slider），改變尾旋翼葉片的集體槳距（Pitch Angle）。
• 扭矩消除：當葉片角度增大時，尾旋翼推力 $T_{\text{tail}}$ 增大，在尾樑力臂上產生向右側的推力，迫使機尾向右、機頭向左偏轉（產生 CCW 扭矩），平衡主旋翼產生的 CW 扭矩。

機構二：涵道式尾旋翼（Fenestron / Ducted Fan）

1. 機構圖解

核心觀念

配平片（Trim Tab）是裝在旋翼葉片後緣的小型可偏轉翼面。改變配平片角度會改變局部翼型弧度與氣動力，進而調整該葉片的升力、俯仰力矩及振動載荷。

被動式配平片通常在地面調整或設定，飛行中不持續主動改變角度；主動式配平片則由致動器依飛行狀態或控制指令調整，可在旋翼運轉時改變葉片氣動力。圖中配平片位於 B、C 之間的葉片後緣，題目重點是它能如何調整旋翼葉片的氣動特性。

解題方法

從配平片對「葉片升力與載荷」的影響切入，再整理成飛行品質、振動、噪音與性能等功能。作答時須區分被動調整與主動控制能提供的用途；各型機的配平片設計不同，不代表每一型都具備以下全部功能。

五項功能

1. 修正旋翼葉片軌跡（Rotor Track） 調整單片葉片的升力，使各葉片槳尖軌跡趨於一致，改善葉片追蹤狀況。被動式配平片常用於地面設定或維修調整。

核心觀念

這題考查懸停時三種操縱的分工：腳踏板控制機首偏航，周期變距操縱桿控制水平移動方向，總距維持高度。機鼻旋轉與機尾旋轉的差別，在於直昇機繞哪一端作為固定支點旋轉。

操作方法

先以腳踏板使機首朝目標方向轉動，順時針旋轉與逆時針旋轉使用相反方向的踏板操縱。轉動接近目標角度時，逐漸減少踏板輸入，並施加反向踏板使偏航停止；踏板左右方向須依該機型的操縱反應判斷。

旋轉過程中，配合周期變距，使選定的機鼻或機尾支點保持在原處。直昇機的重心需沿圓弧移動，因此周期變距應朝向旋轉支點，提供向心修正：

• 機鼻旋轉（Nose-In Pirouette，繞機鼻）：機鼻保持在固定點，機尾繞機鼻轉動；周期變距朝機鼻方向修正。

核心觀念

本題考查複合式直昇機的構型優點。圖中可見兩具上下同軸、反向旋轉的主旋翼，以及機尾的推進螺旋槳。主旋翼負責提供升力與低速操縱能力，推進螺旋槳則在高速前飛時提供額外推力；反向旋轉的同軸旋翼可互相抵銷大部分扭矩，因此不需要傳統尾旋翼來抵銷主旋翼扭矩。

解題方法

依「升力與扭矩、前飛速度、航程、操縱能力、任務效益」五個面向作答，並說明每項優點與構型的關係。作答時應避免把推進螺旋槳誤稱為尾旋翼：前者主要產生前進推力，後者主要用於抵銷主旋翼扭矩。

五項優點

1. 前飛速度較高 高速前飛時，尾部推進螺旋槳提供前進推力，降低主旋翼單獨產生前進推力的負擔，因此可突破傳統直昇機的速度限制。

2. 航程較長、抵達任務區較快 較高的巡航速度可縮短航程所需時間；此構型亦以提升任務航程為設計效益，適合長距離運輸與快速部署。