115 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

本題考直昇機四個主要操控輸入與四個飛行目標之間的主要控制分配，並辨認操控輸入同時引發的交互耦合。一般單主旋翼、尾旋翼直昇機的基本對應為：

• 總距（Collective）：同時改變主旋翼各葉片的槳距，主要改變總升力，控制高度。
• 縱向週期變距（Longitudinal Cyclic）：改變主旋翼盤的縱向傾斜，主要控制俯仰姿態。
• 橫向週期變距（Lateral Cyclic）：改變主旋翼盤的橫向傾斜，主要控制滾轉姿態。
• 尾舵踏板（Pedal）：改變尾旋翼槳距與推力，主要控制偏航姿態。

題目列出的高度 $h$、俯仰角 $\theta$、滾轉角 $\phi$、航向角 $\psi$ 是飛行目標；操控輸入會先改變旋翼力與力矩，再經飛機動態影響目標狀態。

解題方法

先按操控輸入的直接作用配對主要飛行目標，再補充因旋翼力矩、升力方向改變、機體運動等產生的耦合。此處的「對應」是主要控制功能，不代表每一個輸入只影響一個輸出。

核心觀念

本題考查功率、扭矩與角速度的關係，以及主旋翼反扭矩如何由尾旋翼推力產生反向力矩。

功率公式為 $P=Q\omega$，其中 $P$ 為功率、$Q$ 為扭矩、$\omega$ 為角速度。計算時角速度須使用弧度每秒（$\text{rad/s}$）。尾旋翼的推力作用於距主旋翼軸 $r$ 的力臂上，其力矩為 $F r$；要抵銷主旋翼反扭矩，兩者大小須相等。

解題方法

（一）主旋翼扭矩

先將轉速由每分鐘轉數換算為角速度：

由 $P=Q\omega$，可得：

核心觀念

直昇機的五種基本飛行運動，依機體相對空氣或地面的移動方向，可整理為：

1. 垂直運動：上升、下降
2. 前進運動
3. 後退運動
4. 側向運動：向左、向右
5. 偏航運動：機鼻向左或向右轉動

其中，前進、後退與側向運動屬於水平平移；偏航則是機體繞垂直軸轉動。懸停不是額外的移動方向，而是直昇機維持位置與高度的飛行狀態。

操作原理的核心，是改變旋翼推力的大小或方向：

• 總距桿（collective）：同時改變主旋翼各槳葉的槳距，主要控制主旋翼總推力。
• 週期變距桿（cyclic）：依主旋翼旋轉方位週期性改變槳葉槳距，使旋翼盤傾斜，改變主旋翼推力方向。
• 抗扭力踏板（anti-torque pedals）：改變尾旋翼推力，控制機鼻方向並抵銷主旋翼扭矩。
• 油門或引擎／轉速調節：配合負載變化維持適當的旋翼轉速；許多機型由調速器自動維持。

解題方法與五種運動的操作原理

作答時，先按「垂直、水平平移、偏航」分類，再說明各軸所用的操縱器及其造成的力或力矩。這樣可以避免把「機體姿態改變」直接當成「平移」，也能完整交代操作原理。

一、垂直運動：上升與下降

直昇機主旋翼產生的總推力記為 $T$，機體重量為 $W$。

• 上升：上提總距桿，所有主旋翼槳葉槳距同步增加，主旋翼總推力增加。當垂直方向的推力大於重量時，機體向上加速；穩定上升時，仍須配合控制，使垂直方向的力大致平衡。
• 下降：下放總距桿，槳葉槳距與總推力減少。當推力小於重量時，機體向下加速；控制下降率時，須適度調整總距，使升力與重量、下降狀態相配合。

垂直方向的基本力關係可寫為：

當 $F_z>0$，機體具有向上的加速度；當 $F_z<0$，機體具有向下的加速度。總距改變會影響主旋翼負載及主旋翼扭矩，因此需用抗扭力踏板配平偏航，並維持適當轉速。

二、前進運動

向前推週期變距桿，使主旋翼旋翼盤向前傾斜。主旋翼推力也隨之向前傾，可分解為向上的分量與向前的分量：

核心觀念

本題考查皮托管如何將氣流壓力轉換為空速指示，以及直昇機上皮托管安裝位置如何避免機體與旋翼氣流造成誤差。

皮托管迎向相對氣流，量得總壓（停滯壓）$P_t$；靜壓孔量得環境靜壓 $P_s$。兩者之差為動壓 $q$：

低速、可視為不可壓縮流時，依伯努力方程式：

其中 $\rho$ 為空氣密度，$V$ 為氣流相對速度。傳統空速表以膜盒接收皮托總壓，外殼接收靜壓；壓差使膜盒變形，再經連桿與指針顯示空速。實際航空空速表依標準大氣校正，主要顯示指示空速（IAS），並非在所有高度、溫度下都直接等於真空速（TAS）。

解題方法：空速管原理（15 分）

1. 迎流取得總壓： 皮托管開口朝向相對風，氣流在管口減速至近乎停滯，量得總壓 $P_t$。理想情況下，總壓等於靜壓加動壓。
2. 取得靜壓： 靜壓孔設在不直接迎流的位置，量得未受迎風撞擊影響的環境靜壓 $P_s$。靜壓可由獨立靜壓孔取得，也可由皮托靜壓組件的側孔取得。
3. 形成壓差並指示： 空速表比較總壓與靜壓，得到動壓 $P_t-P_s$。動壓愈大，膜盒偏移愈大，指示空速愈高。
4. 密度對空速換算的影響： 同一真空速下，空氣密度降低會使動壓降低；因此只按標準大氣刻度讀取的空速表指示 IAS。若要由動壓求真空速，須使用當地密度代入 $V=\sqrt{2q/\rho}$。

因此，空速管本身量測的是壓力；空速是由總壓與靜壓之差，配合儀表刻度換算而得。

安裝位置考量（10 分）

安裝位置的核心要求，是使皮托管取得能代表直昇機前進速度的氣流壓力，並使靜壓接近當地未受機體干擾的環境靜壓。