115 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

本題考查載重平衡的基本概念：重量作用位置形成力矩，所有重量的合力作用點為重心；重心位置則會影響航空器的穩定性與操控性。直昇機另須注意橫向重心，因為重心偏離旋翼推力作用線時，會形成持續的滾轉力矩。

解題方法

逐小題以「定義—受力關係—飛行影響」作答。若以計算表示，取基準面（datum）為量測起點，各重量的力矩為重量乘以其力臂，重心位置為總力矩除以總重量：

其中 $W_i$ 為各項重量，$x_i$ 為其相對基準面的力臂，$M_i$ 為其力矩。

分題詳解

(一) 航空器重心與力矩之關係為何？

重心（center of gravity, CG）是航空器全部重量合力的作用點。相對於基準面，航空器總力矩等於總重量乘以重心力臂：

因此，重心位置可由總力矩除以總重量求得：

載重位置改變會改變總力矩，進而使重心移動；總重量不變時，若新增重量放在距基準面較遠的位置，其對重心的影響通常較大。

(二) 為何重心超限會影響飛行穩定性？

航空器的設計穩定性與操控能力，建立在重心位於核准範圍內的條件上。重心超出範圍會改變重心與升力、旋翼推力等氣動力之間的力矩平衡，使航空器的俯仰或滾轉傾向改變。

超限也可能使操縱面或旋翼控制系統需要持續提供較大修正力，降低操控餘裕；在起飛、降落、失速改出或機動飛行時，可能出現操控能力不足或穩定性下降。因此，重量符合限制並不代表載重平衡合格，重心也必須在核准範圍內。

(三) 前重心與後重心對操控特性有何不同？

核心觀念

本題考查「高、熱、重」條件下的直昇機懸停性能，以及雙發動機直昇機起飛後單發失效的風險。判斷時要把密度高度、總重、可用功率、懸停功率需求與單發性能連在一起分析，並以該機《飛行手冊》性能圖表及限制為準。

密度高度是把當時空氣密度換算成標準大氣中的等效高度。密度高度愈高，空氣愈稀薄；對直昇機而言，主旋翼需要更高的誘導速度或更大槳距來產生所需升力，發動機也可能因進氣密度下降而輸出功率降低。因此，可用功率下降、所需功率上升，懸停與爬升性能變差。

若以題目給的 $9{,}000\ \mathrm{ft}$ 當作壓力高度估算，標準大氣在該高度的溫度約為 $-3^\circ\mathrm{C}$，實際溫度高出約 $33^\circ\mathrm{C}$。粗估密度高度約為：

此數值僅為估算；實際性能判定應使用當地壓力高度、實際大氣資料及該機飛行手冊圖表。

解題方法

依序抓住五個因果環節：

1. 密度高度上升：空氣變稀薄，旋翼與發動機性能受影響。
2. 重量增加：主旋翼須提供更大升力，所需功率上升。
3. 懸停最敏感：沒有前進速度帶來的平移升力，旋翼須持續以功率抵銷重量。
4. 超出能力仍起飛：可能無法爬升或維持高度，且操控餘裕縮小。
5. 單發失效：剩餘發動機須承擔飛行所需功率，能否維持飛行取決於該機單發性能及當時重量、高度、溫度和飛行狀態。

本題不是只看最大起飛重量。即使重量未超過結構限制，在高密度高度下也可能超過懸停或單發性能限制。

（一）密度高度對直昇機性能之影響

密度高度升高代表空氣密度降低，會造成：

• 旋翼產生升力的能力降低：在相同轉速與槳距下，旋翼產生的升力減少；要維持懸停，須增加槳距與功率。
• 功率需求增加、可用功率減少：高溫及高海拔使發動機輸出能力下降，而懸停所需功率上升，兩者差距縮小。
• 懸停、爬升能力下降：懸停天花板降低，爬升率與越障能力變差；可能只能在地面效應內懸停，離地後卻無法維持高度。
• 操控反應變差：控制輸入需更依賴增加槳距及功率；當功率接近限制時，飛行員可用的操控餘裕減少，反應可能遲緩。

本案例海拔高、氣溫高，密度高度顯著高於實際海拔，因此扭力接近限制、升力不足及操控遲緩，均符合性能下降的特徵。

（二）為何懸停性能較固定翼飛機更容易受載重影響

懸停時，直昇機必須以旋翼持續產生與總重量相等的升力，且沒有前進速度帶來的平移升力。重量增加會直接提高旋翼負荷及誘導功率需求；在高密度高度下，旋翼效率較差，額外重量更容易耗盡可用功率餘裕。

固定翼飛機在地面滑跑及爬升時可藉由加速增加機翼升力；直昇機若要離開地面垂直懸停，則必須立即提供足以支撐全重的升力。載重增加也會使直昇機更難達到有效平移升力（ETL）所需的安全加速與爬升條件。因此，直昇機尤其在高溫、高海拔及懸停時，對載重變化十分敏感。

（三）飛行員應如何調整任務載重

飛行員應先停止起飛，依該機《飛行手冊》及性能圖表，核對當時的重量與平衡、壓力高度、外界溫度、風況，以及懸停地面效應內／外（IGE／OGE）和單發性能。

核心觀念

本題考航空器載重平衡的基本名詞，重點是分清楚：航空器本身的重量、可供載運的重量、重心允許位置，以及飛行中燃油消耗與機體受力的表示方式。載重平衡的基本要求是航空器總重不得超限，重心須位於該重量與構型所對應的核准範圍內。

解題方法與名詞說明

（一）酬載（payload）

酬載是航空器執行任務時所載運的乘客、行李及貨物等重量，代表航空器實際承載的有效載荷。

載重分析時，酬載通常不包括航空器本身、機組員及燃油；不過，航空公司或特定營運文件可能依其計算制度，將機組員或其他項目另行納入營運重量項目。因此應依題目採用的重量定義判斷。一般可將可用載重概念表示為：

可用載重還須分配給燃油、乘客、行李、貨物及其他任務載荷；酬載並不等於全部可用載重。

（二）重心範圍（CG range）

重心範圍是航空器重心可被允許的前限與後限之間的範圍。重心位置通常以基準面（datum）起算的距離表示；航空器裝載後，必須依其重量與構型，確認重心落在核准的前後限內。

重心範圍不是單指一個固定的前後距離。不同總重或飛行狀態下，允許的重心限值可能不同，實際判定須依該機型飛航手冊或載重平衡資料中的重心包線。

（三）標準空重（Standard empty weight）

標準空重是航空器裝有標準裝備，並具有規定的不可用燃油及操作液體狀態時的重量。航空器個別增裝的選用設備，是否計入該架飛機的實際空重，須依其重量與平衡紀錄處理。

標準空重不等於最大起飛重量，也不包括可供本次任務使用的燃油及酬載。計算個別航空器載重時，應以該架航空器最新的重量與平衡紀錄為準，不能直接把型號的標準空重當成每架飛機完全相同的實際重量。

（四）航段耗油量（TFW）

TFW 是 Trip Fuel Weight 的縮寫，指航空器在一個航段中預計消耗的燃油重量。若以起飛燃油重量及抵達時剩餘燃油重量表示，則：

核心觀念

本題考查直昇機外部吊掛作業的鐘擺效應、吊掛物擺動對飛機—吊掛物系統動態重心與操控的影響，以及飛行員和地面人員的風險控制。吊掛物由吊索懸掛，受側風或直昇機運動影響而偏離垂直位置；此時吊掛物相對直昇機的位置與受力方向持續改變。

解題方法

依序從「擺動的物理原因 → 重心與受力變化 → 飛行員控制 → 地面作業安全 → 超重風險」作答。重心變化可用力矩關係說明：

其中 $W_i$ 為各部分重量，$x_i$ 為其相對基準面的距離。吊掛物重量固定，但擺動時其相對位置改變，因此系統合成重心也會隨時間改變。

（一）何謂鐘擺效應？

吊掛物由吊索懸掛，受側風、直昇機加速或減速、轉彎及操縱輸入影響，會偏離吊點正下方而來回擺動。其運動近似鐘擺：吊掛物偏離平衡位置後，重力沿擺動方向的分力會使其回復；若持續受到外力或操縱引發的激振，擺幅可能加大。

（二）吊掛物擺盪為何會造成動態重心變化？

吊掛物是飛機—吊掛物系統的一部分。擺動時，吊掛物相對直昇機的水平及垂直位置不斷改變，其重量對吊點及機體基準面的力臂也隨之改變，因此合成重心的位置與方向會動態變化。

同時，擺動會在吊索上產生方向與大小隨時間改變的張力，對機體形成額外的力與力矩，造成俯仰、滾轉或偏航擾動。故不能只以吊掛物靜止時的重心位置判斷飛行中的操控影響。

（三）飛行員應如何抑制擺盪？

1. 平順操縱：避免突然加速、減速、轉彎或大幅修正，以免操縱輸入進一步激發擺動。
2. 控制飛行速度與姿態：依核准程序維持適當速度、航向與姿態，避免急劇變化；側風下尤其注意風向及吊掛物相對機身的位置。
3. 採取平順修正：避免追著吊掛物的擺動方向反覆急修，否則可能與擺動形成相互增強的作用。