《飛機力學超入門》心得筆記:飛行力學(Flight mechanics)

《飛機力學超入門》

靜穩定

靜穩定是利用各種稱作「安定面」的零件部位讓飛機能夠直線飛行,常見的部位有:

  • 垂直尾翼(Vertical Stabilizer);
  • 水平尾翼(Horizontal Stabilizer);
  • 方向舵(Rudder);
  • 升降舵(Elevator)等等。

上反角

上反角的效果在於阻止飛機發生側滑,假設飛機水平直線飛行時,吹來一陣風使得飛機往左傾斜,因為作用力的關係,飛機會在空中往左側滑,稱為側滑。

因為上反角的關係,側滑方向的左翼攻角比右翼大,導致升力也是左方比右方大,此時會產生滾轉力矩,進而阻止側滑的作用力,試圖使飛機回復原本的飛行狀態。

側滑時,垂直尾翼也會產生升力,同時提供使機首朝向前進方向的方向穩定性,因此上反角效果與垂直尾翼的方向穩定性都具有停止側滑的效果

有上反角的另外一個理由,是讓飛機在著陸時超微有點傾斜也不會讓機翼與引擎撞上跑道,水平尾翼的上反角也是為了在飛機與降落時,即使有點傾斜也不會摩擦到跑道。

後掠角也具有上反角效果,具有方向穩定性

原本後掠翼是為了在高速飛行時降低空氣的壓縮性所急速增加的阻力而設計的,但後掠角同時也具有防止側滑的上反角效果與方向穩定性。

在發生側滑的方向上,因為後掠角變小,導致升力變大,進而產生一股讓飛機回復原本水平姿態的上反角效果。此外該側也因為阻力變大,產生一個力矩將機首推往相對風的那一側。

尾翼的後掠角

噴射客機的垂直尾翼後掠角能夠:增加臨界馬赫、增大失速攻角,水平尾翼的後掠角也能夠:增加臨界馬赫、增大失速攻角。

小飛機的後掠角則是:增大失速攻角、增加方向穩定性、以及減少阻力

通常主翼上某部位超過音速時的速度稱為臨界馬赫,一般的噴射客機不會加速到臨界馬赫(飛機某部位超越音速)。同樣的為了降低阻力,水平尾翼與垂直尾翼上的空氣速度也都不能超過音速。

即使主翼上已經發生震波失速,水平尾翼也要保持能夠控制飛機俯仰的狀態,尾翼不只是比主翼薄,後掠角也會比主翼大(或相同)。

水平尾翼的大後掠角可以讓尾翼在面對大攻角或是升降舵採取大舵角時,較不容易失速。尾翼的展弦比較主翼小的原因也是為了讓尾翼不容易失速。

副翼(Aileron)

水平尾翼是升降舵控制,垂直尾翼是由方向舵控制,主翼是藉由副翼(Aileron)以及擾流板(Spoiler)控制。

飛機的轉彎是藉由在空中畫一個曲線來改變方向,為了轉彎,飛機必須要傾倒向遇轉彎的那個方向,這時就需要用到副翼。

右轉彎時,只要做副翼往下,右副翼往上,讓左側升力增加,右側副翼升力減少就行了,透過機翼弧度的變化,就能製造出升力差距,產生滾轉力矩,進而讓飛機傾斜。

又因為「誘導阻力與升力的平方成比例」,機首部位會產生和轉彎方向相反的作用力,使得機首朝轉彎的反方向,產生所謂的「逆偏航」,為了避免這種情況,副翼的下降角度會比上升的還要小,或是在轉彎方向的機翼上方開啟擾流板。

為什麼會有多個副翼?談內外側的副翼

低速轉彎時的問題是逆偏航,高速轉彎時則是副翼反向(Aileron Reversal)。

副翼反向(Aileron Reversal)形成原因

低速飛行時,小型飛機的副翼設置在翼尖的位置,如此一來在力矩的作用下,離重心較遠的位置能夠更有效率的作功。

但在後掠翼、尖狀翼的飛機便會出現問題,在右轉彎時,右側副翼往上時會因為高速行駛的空氣作用力過大,導致機翼角度改變,反而造成攻角變大,升力隨之增加。機翼會因為空氣作用力而變形,使得副翼的效率降低,甚至可能產生轉向反向的副翼反向情形。

左側副翼則相反,原本要降低升力讓左側機翼往上,卻因為空氣的作用力導致機翼角度改變,攻角減少,升力變小。最後,本來右轉彎的飛機要向右傾斜,變成向左傾斜。

方向舵

方向舵是在產生偏航力矩時,用來產生相反作用力的。

單引擎螺旋槳飛機的螺旋槳後方空氣流動撞上垂直尾翼時,會讓尾翼的有效攻角增加,升力也會增加,此時就會產生偏航力矩。

在起飛時,速度最低、推力最大時影響最大,方向舵在此時就負責往反方向產生偏航力矩。

飄擺(Dutch Roll,荷蘭滾)

指的是飛機側滑、偏擺和上下俯仰,使得飛行方向蛇行。此時可以靠著方向舵來減緩標擺。

進入標擺狀態時,反覆的週期非常短,駕駛會無法控制飛機,為了應付這種狀況,方向舵上會設置有「抗偏器」,抗偏器會在飛行時持續作用,在需要時介入操作。

方向舵的功用

方向舵的功用

升降舵

升降舵負責產生俯仰力矩,讓飛機進行爬升與下降。當升力重心(或稱氣動中心)與飛機重心的關係變化時,即使沒有風的影響,也會產生俯仰力矩,水平尾翼便是用來抵銷這個作用力的部位。

當飛機的狀態是駕駛放開操縱桿也能保持平衡直線飛行,此時的狀態變稱作「配平狀態」。

小型飛機上升降舵的後緣部分有一個小型的可動機翼,稱為「配平片」,移動配平片時,升降舵因為空氣的作用力而朝向與配平片相反的方向移動,藉此微調水平尾翼的升力。

中型、大型飛機如果只靠升降舵來控制俯仰力矩的話,就會需要更大的舵面或是舵角,但是增大兩者都會產生阻力,影響太大,解決方法便是移動整個稱為「水平安定面」的水平尾翼。

水平尾翼的配平

水平尾翼的配平

方向舵配平

方向舵配平:是一種方向舵制動裝置,可以抵銷因非對稱推力產生的力矩,減輕駕駛員踩踏板的負擔,通常用於引擎故障時。

除了引擎故障外,當左右引擎推力有細微差距或是阻力不同時,也會使用方向舵配平來抵銷產生的偏航力矩。

副翼配平片

副翼配平片:是副翼上調整滾轉力矩的裝置,飛行員可以藉著微調副翼的舵角與配平片來修正滾轉力矩。

滾轉力矩的成因可能是因為螺旋槳後方氣流、扭力的影響、左右機翼內燃油存量差距,或是改裝、修理的影響。

調整片的介紹

操縱片

操縱片:又稱「伺服片」,因高速飛行的關係,只要移動操動片就可以達到調整整個舵面的效果。

平衡片

平衡片:與舵面移動方向相反,用以減輕飛行員操縱飛機的負擔。

反作用平衡片

反作用平衡片:與舵面移動方向相同,使舵較變大,讓舵面的效率變好。

高升力裝置

高升力裝置是在起飛與著陸時,用於增加升力係數的裝置。

背後的原理是當低速飛行時,因為升力與飛行速度的平方成比例,速度慢,升力就小,產生的作用力未必能夠支撐飛機的重量,此時利用負責曾大攻角的翼縫條,與負責增加弧度的後緣襟翼,就可以大幅度地增加升力係數。

高升力裝置

高升力裝置

延伸閱讀

《飛機力學超入門》筆記:認識航空力學

《飛機力學超入門》筆記:空氣力學

《飛機力學超入門》筆記:談升力與阻力

2018-12-02T14:53:59+00:00七月 5th, 2018|培訓機師準備, 文章總數|

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