114 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

直昇機前飛時，前進速度會與旋翼葉片的旋轉速度合成，使旋翼圓盤前進側的葉片相對風速增加，後退側的相對風速減少。因升力大致與相對風速平方成正比，前進側升力較大、後退側升力較小，形成「不對稱升力」（dissymmetry of lift）。

題目所稱「不對稱升力平飛（Translational Flight）」是指直昇機進入平移飛行後，旋翼盤兩側因相對風速不同而產生升力差。這裡計算的是葉片在旋翼盤上特定位置的相對風速；題目提供的「旋翼轉速 420 海里」依此視為旋翼葉尖切線速度為 420 kt。

解題方法

逆時針旋轉且向前飛行時，從上方看，旋翼右側的葉片向前運動，為前進側；左側葉片向後運動，為後退側。按題目的方位標記，90°為前進側，270°為後退側。

葉片在這兩個位置的切線速度與直昇機前進速度同向或反向，故相對風速分別為：

先將海里／小時（kt）換算為英里／小時（mph）：

前進速度換算為：

旋翼葉尖速度換算為：

所以：

90°與270°位置的升力現象

核心觀念

自動旋轉（Autorotation）是指引擎不再向主旋翼提供動力時，旋翼仍因空氣動力而持續旋轉的飛行狀態。直昇機下降時，氣流由主旋翼盤下方流入、向上穿過旋翼盤；這股上升氣流作用於旋翼葉片，使旋翼維持轉速並產生升力。

題目分成兩部分：先說明旋翼盤氣流現象、自轉的機械原理與重要性；再說明無向前速度、靜止氣流下垂直自動旋轉時的氣流方向，以及旋翼葉片上的三個氣動區。

一、主旋翼盤氣流、機械原理與重要性

1. 氣流現象

正常動力飛行時，旋翼由引擎驅動，將空氣向下加速，產生支撐直昇機的升力。進入自動旋轉下降後，旋翼不再由引擎驅動，直昇機下降所造成的相對氣流改由旋翼盤下方進入，向上穿過旋翼盤。

這股向上氣流與葉片旋轉所形成的旋轉相對風合成，成為作用於葉片剖面的合成相對風。葉片各半徑位置的旋轉速度不同，故合成相對風、攻角及氣動力方向也不同，因而形成驅動旋翼自轉的區域與阻滯旋轉的區域。

2. 機械原理

自動旋轉時，引擎與主旋翼之間的傳動系統透過單向自由輪離合器（freewheeling unit）脫開。引擎失去輸出或轉速降低時，離合器允許主旋翼繼續旋轉，避免旋翼反過來拖動引擎。

旋翼旋轉的能量來源，是直昇機下降時氣流對葉片所作的功。對整副旋翼而言，驅動區產生的前向氣動力矩，必須足以克服被驅動區與失速區造成的阻力矩，才能維持旋翼轉速。穩定自動旋轉時，旋翼的淨力矩近似為零：

3. 重要性

自動旋轉使直昇機在引擎失效或動力傳遞中斷時，仍可利用下降氣流維持主旋翼轉速與升力，進而控制下降並執行緊急降落。若操作得當，駕駛員可在接地前運用旋翼儲存的轉動能量減緩下沉率；因此，及時建立並維持自動旋轉，是直昇機動力失效時的重要安全能力。

二、靜止氣流下垂直自動旋轉

1. 氣流與旋翼盤示意圖

以下以側視圖表示直昇機垂直下降；外界氣流靜止，直昇機相對於空氣向下移動，因此相對於直昇機的氣流向上穿過旋翼盤。俯視圖則表示葉片沿半徑方向由內至外的三個區域。

核心觀念

本題考直昇機的反扭距（antitorque）：主旋翼旋轉時，機身會受到大小相等、方向相反的反作用扭距。反扭距系統須提供相反方向的偏航力矩，抵銷主旋翼傳給機身的扭距，並讓駕駛能控制機頭方向。

• 傳統單主旋翼直昇機以尾旋翼產生側向推力。尾旋翼推力作用於機身重心後方，形成反向偏航力矩。
• 無尾旋翼系統（NOTAR, No Tail Rotor）​不以外露尾旋翼提供主要反扭距，而是利用尾桿內的風扇供氣，經尾桿噴口及尾端可調噴嘴排出氣流，並利用尾桿表面的康達效應（Coandă effect），共同形成反扭距力矩。

解題方法

比較兩種系統時，先分辨力從何處產生，再說明其力矩如何抵銷主旋翼扭距：

1. 傳統系統以尾旋翼推力 $T_t$ 作用於力臂 $l_t$，形成反扭距力矩： $M_t = T_t l_t$
2. NOTAR 由尾桿表面的附著下洗氣流形成側向氣動力，並由尾端噴嘴提供可調側向推力；兩者產生的力矩合力抵銷主旋翼扭距。
3. 反扭距的功能有二：一是防止機身因主旋翼反作用而持續偏航；二是透過調整反扭距大小，控制滯空或低速飛行時的機頭方向。

兩種反扭距方式與功能

傳統單主旋翼直昇機

尾旋翼由傳動系統帶動，將空氣加速並向側方排出，產生側向推力。此推力作用在遠離重心的尾端，形成與主旋翼反作用扭距相反的力矩。駕駛操作方向舵踏板，改變尾旋翼槳距與推力，以保持航向或使機身偏航轉向。

NOTAR 無尾旋翼直昇機

機身內的風扇將空氣送入尾桿。尾桿側面的噴口將部分氣流沿尾桿表面吹出，使主旋翼下洗氣流附著於尾桿一側；尾端的可調噴嘴則排出氣流，提供額外的方向控制推力。兩種氣動作用合成所需的反扭距，駕駛調整尾端噴嘴方向，以控制偏航。

因此，兩者的反扭距功能相同，都是抵銷主旋翼反作用扭距並控制偏航；產生方式不同，傳統系統以尾旋翼推力為主，NOTAR 則運用風扇供氣、尾桿表面氣流及尾端噴嘴。

NOTAR 的優點

核心觀念

重心（Center of Gravity, CG）是直昇機各部分重量合力的作用點。直昇機主旋翼提供主要升力；在懸停或低速飛行時，飛行員透過週期變距桿（cyclic）改變旋翼盤傾斜方向，調整旋翼推力的水平分量與機身姿態。

重心位置決定重量相對於旋翼推力作用線的力矩關係，也影響飛行員需要多少週期變距操縱量才能維持所需姿態。裝載時須使重心位於飛行手冊規定的前、後及側向限度內。重心超限會使操控變得困難，並可能耗盡某一方向的操縱餘度。

以縱向力矩說明，若重心與旋翼推力作用線不對正，兩者會產生力矩：

其中 $T$ 為旋翼推力，$d$ 為推力作用線與重心間的水平距離。重心偏前或偏後時，飛行員須以週期變距調整旋翼推力方向，抵銷其造成的姿態趨勢。

解題方法

本題可分兩步作答：先說明重心為何重要，再比較重心偏前與偏後時機身姿態及週期變距桿需求。判斷方向時，以主旋翼桅杆／推力作用線為參照：重心在其前方，機頭有下俯趨勢；重心在其後方，機頭有上仰趨勢。懸停時維持水平姿態所需的週期變距方向，則與此姿態趨勢相反。

重心的重要性

1. 影響平衡與姿態： 重心位置決定直昇機在懸停、起飛及飛行時的縱向平衡狀態；重心偏離適當位置，機身會呈現機頭下俯或上仰的趨勢。
2. 影響操縱能力與操縱餘度： 飛行員須以週期變距維持或修正姿態。重心偏移愈大，維持姿態所需的操縱量愈大，可供其他操縱使用的餘度愈小；極端時可能無法維持所需姿態。
3. 影響穩定性與操控負荷： 超出重心限制會使操控變得困難，並減少反方向修正的能力，增加飛行員工作負荷。
4. 影響安全裝載： 乘員、行李、燃油及外掛載荷的分布都會改變重心。