直昇機飛行原理　申論題歷屆試題與參考架構

請列表說明直昇機的控制分配四個操控輸入項：u(t)  [總距 Collective,縱向 Cyclic, 橫向 Cyclic, 尾舵踏板 Pedal]，如何對應到（一）四個飛行目標y(t)  [高度 h, 俯仰角, 滾轉角, 航向角]？（16 分）及（二）強耦合項目？（9 分）

（25 分）

主旋翼功率為 80 kW 和轉速為 500 rpm，請回答下列問題：

（一）計算主旋翼的扭矩為多少？（13 分）

（二）當主旋翼軸至尾旋翼軸距離為 4 m，計算尾旋翼的最小推力要多少才能抵銷主旋翼的反扭矩。（12 分）提示：主旋翼功率 P  主旋翼扭矩  角速度。

（25 分）

請說明直昇機的五種飛行運動為何？（10 分）並說明其對應的操作原理？（15 分）

（25 分）

請說明直昇機空速管的原理（15 分）和安裝位置的考量。（10 分）

（25 分）

逆時針旋轉直升機，在不對稱升力平飛（Translational Flight）時與相對風（Relative Wind）風速之關係為何？（5 分）假設直升機向前飛行速度為 90 海里（NM），旋翼轉速為 420 海里，請問主旋翼轉至 90 度及 270度時之相對風速為多少英里（Mile） （Hint：轉換值及答案值取至小數點第 2 位計算）？（10 分）請解釋 90 度及 270 度位置升力現象，如何運用主旋翼（Main Rotor）操作方式抵銷不對稱升力（Dissymmetry Lift of Flapping）之現象？（10 分）

（25 分）

請說明直升機自動旋轉（Autorotation）時，主旋翼盤（Main Rotor Disk）氣流之現象、（5 分）機械原理及重要性為何？（5 分）試繪圖說明直升機在静止的氣流下垂直自動螺旋下降情況，直升機無向前的速度，主旋翼葉片分為幾個區間及每區間之空氣動力為何？（15 分）

（25 分）

請說明無尾旋翼（NOTAR）與傳統單主旋翼直升機（Single Main Rotor）所產生的反扭距力（Antitorque）方式有何不同及反扭距力之功能各為何？請說明無尾旋翼之優點為何？請繪製無尾直升機在滯空（Hover）時主旋翼下洗氣流（Downwash）如何產生康達效應？（25 分）

（25 分）

直升機平衡（Balance）的重心（Center of Gravity）有何重要性？（7 分）請說明重心向前及向後對直升機姿態操控有何影響？（18 分）

（25 分）

請繪圖說明何謂直昇機進入渦環狀態（vortex ring state）？並論述在飛航操控上如何應對？（25 分）

（25 分）

請繪圖說明當今新型直昇機主旋翼之葉片（blade）外型設計，並說明在葉片的翼剖面（airfoil）選擇考量以及翼尖構型對飛行器性能之影響。（25 分）

（25 分）

請說明直昇機在飛行中所產生之形狀阻力（profile drag）與誘導阻力（induced drag），並繪圖說明在飛行中隨著空氣密度變化以及航速變化，對這兩項阻力之功率需求變化影響。 （25 分）

（25 分）

請說明直昇機之震動（vibration），依照頻率分為三類，並論述每一類別之震動可能來源與原因。（25 分）

（25 分）

如附圖所示，為同軸雙主旋翼直昇機，如果已知直昇機的上主旋翼是順時針方向旋轉。

（一）請畫出上、下主旋翼的反扭矩、升力、氣流和下主旋翼旋轉的方向。（14分）

（二）說明同軸雙主旋翼直昇機之優缺點。（11分）附圖、同軸雙主旋翼

（25 分）

（一）請說明直昇機主旋翼總升力的計算公式與那些係數及變數有關？（18分）

（二）在其他條件都相同下，轉速1000 rpm與1800 rpm的總推力比值是多少？（7分）

（25 分）

（一）假設主旋翼是反時針旋轉，請說明直昇機在穩定氣流前進時的升力不對稱（dissymmetry of lift）現象。（15分）

（二）有那些設計方法可以克服這種問題？（10分）

（25 分）

請以表列分別說明一架典型直昇機通常有那四個主要的飛行控制裝置？（5分）這些控制裝置分別帶動直昇機上的那些元件？（10分）控制效果為何？（10分）

（25 分）

配備單主旋翼的直昇機，當主旋翼逆時針（CCW）旋轉時，若無其他機構制衡，機身則會順時針（CW）旋轉，請繪圖並說明三種可產生反向扭矩（Counter Torque）以消除機身順時針旋轉的機構與運作方式。（25 分）

（25 分）

如圖 1 所示，位於主旋翼後緣（Trailing Edge）B 與 C 之間的是配平片（Trim Tab）。現今的配平片分為主動（Active）與被動（Passive）式，請列舉 5 項主動或被動配平片的功能。 （25 分）圖 1、主旋翼於不同位置之傾角

（25 分）

單主旋翼直昇機於無風懸停狀況進行旋轉（Hovering Turn） ，即順時針與逆時針的機鼻旋轉（Nose-In Pirouette、Turn about the Nose；如圖 2）與機尾旋轉（Nose-Out Pirouette、Turn about the Tail；如圖 3），請說明如何使用腳踏板（Rudder Pedal）與周期變距操縱桿（Cyclic Control Stick）達成目標動作。（25 分）圖 2、機鼻旋轉 圖 3、機尾旋轉

（25 分）

圖 4 為美國最新研發之同軸雙剛性主旋翼（Coaxial Rigid Rotors）與尾部推進螺旋槳（Pusher Propeller）的無畏（Defiant X）型直昇機，請列舉此直昇機的五個優點。 （25 分）圖 4、無畏型直昇機

（25 分）

已知某直昇機從海拔高度 H 的機場起飛前往高山執行任務，起飛總重為W、機外氣溫（Outside Air Temperature, OAT）為 T1、氣壓為 P1。多日後該機再以 W 從原機場起飛去執行相同任務，但 OAT 與氣壓卻分別是T2 與 P2，且 T2>T1、P2<P1。試根據密度高度（Density Altitude, DA）的定義，作答下列子題：

（一）請分析這兩次任務的機場 DA 值何者較大？並說明原因。 （10 分）

（二）請說明這兩次任務所需起飛功率（Power）何者較小及其理由。 （15 分）

（25 分）

請說明欲使直昇機在恆定高度（Altitude）與航向（Heading）向前飛行，並維持其飛行空速（Airspeed）不變及姿態（Attitude）平衡，飛行員需使用到那些控制（Controls）及如何作動直昇機，以分別達成上述的各項要求。（25 分）

（25 分）

當直昇機從起飛開始向前飛行時，常會因橫向流（Tansverse Flow）的效應而造成入流滾（Inflow Roll），甚至發生反吹（Blowback）現象。試以單軸反時針轉動的旋翼為例，此作答下列子題：

（一）請說明何謂「入流滾」現象及其造成的結果。（15 分）

（二）請說明何謂「反吹」現象及應如何抵消其對飛行的影響。 （10 分）

（25 分）

若下列二個儀錶圖分別代表某直昇機面對的兩個不同飛行狀況 A 與 B，請據此說明 A 及 B 所表示的意思，以及飛行員應如何改正這兩個狀況並繼續原定的飛行動作。（25 分）

（25 分）

一架直升機於懸停狀況，請計算此直升機所需的實際動力hpact（Actual Power）？假設直升機的總重W = 22000 lb、懸停時向下氣流對直升機造成的垂直阻力（Vertical Drag, Download）DV = 1000 lb、旋翼碟面積AR（Rotor Disc Area）= π * R2 = 2300 ft2、旋翼半徑為R、理想動力為hpideal（Ideal Power）。（25分）參考公式：T 38 * ( FM )動力負載（Power Loading；單位lb/hp） PL   hpact DL hpideal效率指數（Figure of Merit） FM   0.75 hpact T旋翼碟面積負載（Rotor Disc Loading） DL  AR旋翼推力（Rotor Thrust）T=W + DV ；平衡狀況下旋翼推力T等於直升機總重W與垂直阻力DV的總和

（25 分）

請繪圖並說明一架具有單主旋翼與尾旋翼的直升機在1~5節與16~24節（進入有效平移升力（Effective Translation Lift, ETL））兩種速度下向前飛行時，主旋翼產生的向下與向後氣流對直升機有何不同的影響？（25分）

（25 分）

直升機自動旋轉指標（Autorotation Index）的大小代表直升機自動旋轉降落性能的優劣。請列出對自動旋轉指標有影響的5項直升機特徵量與大氣環境性質，並說明其與自動旋轉指標成正比、平方正比或反比。（25分）

（25 分）

請說明如何操作單主旋翼與尾旋翼直升機進行傾斜轉彎（Bank Turn），並請說明傾斜轉彎時發生向心方向側滑（Slip）的原因？（25分）

（25 分）

直昇機有很多類型，請比較「單旋翼」（the single rotor）、「左右並排旋翼」（side-by-side rotors）與「串聯旋翼」（tandem rotors）直昇機之優點與缺點。 （25 分）

（25 分）

設一直昇機主旋翼之槳葉與轂（hub）係用絞鍊（hinge）連結，請繪簡圖並且說明單一槳葉在旋轉時，受力的情況。（25 分）

（25 分）

請說明並比較單旋翼帶尾槳型直昇機在懸停（hovering）時、以適中速度前進時、最高速度前進時所耗費功率大小的情況。 （25 分）

（25 分）

在飛機飛行中，何謂靜態穩定？請說明單旋翼帶尾槳型直昇機在懸停（hovering）時之靜態穩定（static stability）特性。（25 分）

（25 分）

何謂直昇機地面效應？什麼高度內會有地面效應？（20 分）

（20 分）

何謂直昇機與地面的共振效應？當發生時如何避免？（20 分）

（20 分）

何謂直昇機尾翼的風標效應？帶來的影響為何？（20 分）

（20 分）

試述直昇機遭遇尾旋翼效能喪失（LTE）時之狀況為何？發生的原因為何？如何改正？（20 分）

（20 分）

試述直昇機後退旋翼失速成因為何？如何避免？（20 分）

（20 分）

直昇機旋翼的傳統造型翼尖常引發相當大的渦流，轉速高時翼尖可能達到音速，進而增加阻力、振動及噪音，請繪製三種可改善前述狀況的新造型翼尖。（25 分）

（25 分）

若有一直昇機的旋翼半徑為 r、旋翼轉速為 ω、前飛速度為 V，請於下圖各旋翼（0 度、90 度、180 度、270 度方位）翼尖位置分別標示出旋翼的線速度 rω 向量與前飛速度V 向量，並以空氣動力學說明，若旋翼機構無任何處理機制，必會造成直昇機左右兩側旋翼升力不對稱（Dissymmetry of Lift）而翻滾。（25 分）ω

（25 分）

請說明後行槳葉失速（Retreating Blade Stall）發生的原因，與對直昇機飛行造成的影響。（25 分）

（25 分）

請依直昇機前進、後退及左、右平移分別繪出直昇機旋翼的旋轉面、升力、重力、推力、阻力向量圖，並說明如何操控週期變矩桿（Cyclic Control Stick）以調整旋翼的旋轉面後，可達成上述目標。（25 分）

（25 分）

圖一為旋翼剖面示意，圖中共有十個指標（A~J），其中指標 F 及 H 指的是角度，指標 A 指的是線段，其他的指標指的是向量。請將每一指標所指的名稱寫出來（中、英文皆可）。 （20 分）I J Vertical Axis圖一、旋翼剖面示意

（20 分）

旋翼有三個自由度，請說明這三個自由度的定義及對旋翼的影響。（30 分）

（30 分）

旋翼的動力特性類似陀螺（gyro），請說明陀螺的進動性（precession）現象在旋翼機控制上的影響。（15 分）

（15 分）

請繪圖說明使用單旋翼機懸停（hover）時的漂移現象（translating tendency or drift），並說明如何克服。（15 分）

（15 分）

圖二為旋翼機功率需求相對空速的圖，圖中標示五個點（A~E），請說明每一個點的意義（中、英文皆可）。（每個點 4 分，共 20 分）MAXIMUM DUAL ENGINE POWER AVAILABLE MAXIMUM DUAL ENGINE POWER AVAILABLE(TRANSMISSION LIMITED) VELOCITY NEVER EXCEED(VNE) POWER POWER REQUIRED REQUIRED CURVE CURVE STRUCTURAL LIMITATION A POWER SINGLE ENGINE POWER AVAILABLE INCREASING E B D C INCREASING AIRSPEED圖二、旋翼機功率需求相對空速圖

（20 分）

試說明單旋翼帶尾槳直昇機的操縱系統及相關功能。（25 分）

（25 分）

當直昇機降落於山頂或山脊時，駕駛員應該如何操作使機體安全降落？（25 分）

（25 分）

請解釋何謂自動旋轉降落及駕駛員應該如何操作？（25 分）

（25 分）

試說明何謂地效（ground effect）懸停（hover）。（25 分）

（25 分）

直昇機如果於空中發生引擎全部失效時，駕駛員應該如何處置？（25 分）

（25 分）

若駕駛員以空速近乎零，近乎垂直進場方式進入閉塞區，可能發生那種危險狀況？在閉塞區操作應採取何種措施？（25 分）

（25 分）

直昇機計算載重平衡時之空重，應考慮那些要項？（25 分）

（25 分）

某些直昇機螺旋槳採用共軸式設計，其特點為何？（25 分）

（25 分）