1、飛行原理飛行原理飛機的基本性能飛機的基本性能 飛機的飛行原理主要決定於機翼的設計、操控，以滿足起飛、爬升、巡航、下降、進場等不同階段的升力需求 飛機的設計必須是一個自然穩定系統，使得沒有施加任何操控指令時可以回復到穩定的條件下飛行作用於飛機上的力作用於飛機上的力 比空氣還重的飛行器，設計的時候如何獲得升力 根據白弩力定理，翼剖面的設計可以產生適當的空氣動力作用力 基本上，適用於白弩力定理的翼剖面，速度是必須的先決條件機翼壓力的來源機翼壓力的來源空氣動力的效應產生作用力主要成因有 當氣流通過機翼上方翼面時，會導致壓力的降低；當氣流流經機翼下方翼面時，因為機翼的角度，而使得機翼下半部承受部分氣流的
2、衝擊，導致機翼下的壓力增加。機翼上壓力的分佈機翼上壓力的分佈機翼上壓力的分佈機翼上壓力的分佈 弓曲的翼面與空氣作用，產生上流場與下流場對機翼不同的作用力 翼面上產生一個負壓，提供大約2/3的升力，最大速度下獲得最大作用壓力 翼面下產生一個正壓提供1/3的升力 與氣流正交的翼前緣在低速度下會有最大的作用壓力攻角的定義攻角的定義 空氣流場向量相對於機翼弦線(wing chord line)的夾角稱為攻角 美國方面稱為 angle of attack(AOA)英國方面稱為 angle of incidence攻角、升力、阻力的關係攻角、升力、阻力的關係翼剖面與流場的角度關係翼剖面與流場的角度關係 翼
3、剖面與流場的相對角度，可以改變流場對於機翼的作用關係與作用力 當機翼的攻角增加時，會產生更大的升力 當機翼的翼形與剖面結構被改變時，流場被破壞了，升力也將急速衰減翼剖面對流場的影響翼剖面對流場的影響 0攻角 高攻角機翼與流場的相互作用機翼與流場的相互作用 升力的產生也可用氣流動量的改變來解釋 氣流從翼前緣水平方向進來，經過仰角的翼面後，氣流被帶往後方及下方。向下氣流稱為下洗流(down wash)，所產生的合力即是沿著速度變化量VT的方向 氣流作用在機翼上的合力分成兩個分量：(1)沿著入射氣流的方向者稱為阻力；(2)垂直於入射氣流的方向者稱為升力。機翼與流場的相互作用機翼與流場的相互作用動壓與
4、升力的計算動壓與升力的計算 當空氣流VT速度衝擊翼面，並瞬間變為零，此速 度 變 化 所 產 生 的 衝 擊 壓 力 稱 為 動 壓 Q(dynamic pressure)，假設空氣為不可壓縮 Q1/2VT2，為空氣密度 衝擊力QS，S為翼面面積 升力係數(lift coefficient)CL及升力Lw為 CL=升力/衝擊力=Lw/QS Lw(1/2VT2S)CL 機翼操作的流場變化機翼操作的流場變化副翼上揚副翼下俯襟翼伸出翼面積增大影響升力大小的因素影響升力大小的因素(1)升力係數CL CL決定於翼剖面的形狀，提高翼面的弧度有助於CL的增加 起飛或降落時利用後緣襟翼(Flap)和前緣縫翼(
5、Slat)增加翼面弧度，以增加飛機之升力。前後襟翼都伸出CL可增加100%升力LCLQS，起飛或降落時速度低、動壓Q小，只能透過CL的增加來增加L 當飛機起飛後速度提高，動壓Q已足夠大，此時前後襟翼即可收回，避免在高速飛行下產生大的阻力 前後襟翼都收回時升力係數最小、阻力也最小影響升力大小的因素影響升力大小的因素(2)動壓Q：升力和Q成正比，Q1/2VT2，大的動壓Q與飛行速度、空氣密度成正比 低空飛行阻力太大，耗油甚大(3)機翼面積：機翼面積越大，升力也成線性比例增加。低速飛機，增加翼面積來獲得足夠的升力 機翼的面積隨著飛機的攻角成正比而變化呈現線性關係。升力與阻力的關係升力與阻力的關係 動
6、壓作用在機翼上的力，可分為兩個分量，垂直於相對風向的為升力，以及沿著相對風向的則為阻力。動壓越大或翼面積越大，不僅升力變大，也伴隨著阻力變大。阻力可表成：DwQSCD 升力係數與阻力係數間有下列近似關係：CDCD0K CL2 CD0、K為常數是用於各已知翼剖面值升力與阻力的關係升力與阻力的關係 可知CD 和CL2成正比，當CL小時平方會更小；但CL大於1時，其平方會快速增加 對大多數攻角而言，阻力係數都很小，只有在接近失速角時，阻力係數才會迅速增加 因此攻角的增加大部分是升力增加的正面效益，阻力增加的負面效益較小主翼攻角操作與流場變化主翼攻角操作與流場變化 低攻角 較高的攻角 太高的攻角已經破
7、壞流場的升力貢獻攻角與失速攻角與失速(Stall)民航機設計的攻角大約在1525度以內 軍機的攻角達25度以上可能大到35度 當攻角大到某一極值時反而阻力急速變大而且升力急速下降，產生所謂失速(Stall)的現象而最後升力喪失 攻角大小也會影響引擎的進氣，影響引擎燃燒，導致推力降低 功角與升力、阻力係數的關係功角與升力、阻力係數的關係前後襟翼的升力效果前後襟翼的升力效果動壓與升力、阻力的關係動壓與升力、阻力的關係 動壓也會產生俯仰力矩使得機頭上仰或下俯 俯仰力矩一部份由升力造成，另一部份則和升力無關 與升力無關的俯仰力矩稱為零升力俯仰力矩 M01/2VT2CM0SCR CR表平均弦長，因機翼設
8、計而異 CM0為俯仰力矩參數 因此阻力係數將會隨著升力係數的增加而有急促的變化，升力係數與阻力係數對攻角呈線性變化關係動壓與升力、阻力的關係動壓與升力、阻力的關係 升力、阻力、等各種的力量會對機體作用成一個力矩，而在機體上力矩為零的那一個點我們稱為壓力中心(center of pressure)，但在其它位置的點，其力矩將不會是零，此力矩為俯仰力矩 俯仰力矩參數定義：CMo=M0/(1/2VT2SCR)攻角修正角與俯仰力矩係數攻角修正角與俯仰力矩係數 假若飛機想要保持固定高度平衡的飛行，外力對重心的總力矩必須為零，且升力必須剛好等於飛機的重量 飛機會隨著攻角的變化，使得力矩也產生變化，這時對於
9、飛機穩定性能影響極大。對飛機穩定性有關的攻角修正角T(trim angle of incidence)定義為CM為零時的攻角 飛機的操作攻角大於或小於T時，將會導致CM反向應變，使得飛機可以維持在穩定的狀態下飛行 CM、T與穩定的關係與穩定的關係CM、T與穩定的關係與穩定的關係飛行時攻角變化的效果飛行時攻角變化的效果飛行時攻角變化的性能飛行時攻角變化的性能 飛行時攻角改變，以增加或減少升力 速度低時升力較差，必須採用較高的攻角，例如在近場減速的階段 飛機荷重時，需要較大的升力採用較高的攻角飛行 民航機旅客較少時，都將可人分散於各位置，以利操控飛行時攻角變化的性能飛行時攻角變化的性能飛行時攻角變
10、化的性能飛行時攻角變化的性能飛行控制與穩定飛行控制與穩定 飛機系統以機翼前緣後1/3為機翼的升力中心 配合機翼前端可能的重心以及尾翼的升力作用 形成一個穩定了力平衡關係穩定的飛機力的關係穩定的飛機力的關係飛機的力平衡飛機的力平衡氣動力不穩定的狀況氣動力不穩定的狀況 當空氣作用在飛機機翼上的力量無法維持自然穩定平衡，稱為氣動力不穩定性 氣動力不穩定可能可以獲得達到極限操作的性能 簡單的狀況，必須依賴精密的操控，提供維持穩定的條件，飛機才能保持安全飛行氣動力不穩定的飛機氣動力不穩定的飛機控制的穩定效果控制的穩定效果控制系統特性控制系統特性控制系統特性控制系統特性 根據系統性能需求設計控制器的特性，
11、以使控制效應趨於穩態 A 曲線發生較多的反覆振盪漸趨穩態 C曲線則緩慢趨向穩態 B曲線則在極小的振盪下快速達到穩態 三種控制策略效果各有其應用價值系統穩定與不穩定系統穩定與不穩定 穩定的定義從日常生活的觀測可以思考系統穩定與不穩定系統穩定與不穩定 趨於最終目標值以內的傾向稱為穩定系統穩定與不穩定系統穩定與不穩定 趨於最終振幅以內的傾向稱為穩定 不穩定則必然發散到無窮大系統穩定與不穩定的判斷系統穩定與不穩定的判斷 任何系統在依段時間內的輸出狀態，可觀測的部分逐漸傾向於更大，表示系統有放大效果，或對外來的能量會繼續的一再吸收，最後變得無法掌握、無法控制，稱為不可控系統或不穩定系統 任何系統在長時間
12、下輸出狀態可以抑制的、或維持現狀的，此種系統稱為可控系統或穩定系統系統穩定與不穩定系統穩定與不穩定飛行控制的原理飛行控制的原理 飛機在飛行中可以藉由固定的需求操作飛機，利用開路系統，給予飛機一個操控指令、及飛行參數 當飛機受到外來擾動時，開路系統的指令可能與事實環境不符，而發生不穩定 閉回路系統控制則需擷取環境中的即時數據，進行分析後決定操控參數的大小閉迴路飛行控制系統閉迴路飛行控制系統飛行員的角色飛行員的角色 飛行員事實上是扮演一個環境狀態迴授的即時系統 包括精密的感測器觸覺、視覺、聽覺、方向感，以及精密的電腦經驗與思考，敏捷的致動器手、腳的操作 飛行員可能無法適應極高速度、極快的變化，此時
13、需要飛行控制器的輔助閉迴路飛行控制系統閉迴路飛行控制系統飛行運動的六個自由度飛行運動的六個自由度 飛機有六個運動自由度，包括：沿著x，y，z三個軸的平移運動，繞著x，y，z三個軸的旋轉運動。六個自由度的運動分別對應到六個常微分方程式，這六個常微分方程式的輸入、輸出時間函數分別為：輸入函數：陣風或控制翼面的偏轉角度，輸出函數：三個移動及三個轉動對時間的響應函數。飛行座標的六個自由度飛行座標的六個自由度飛行運動的軸體座標飛行運動的軸體座標 飛機的六個自由度運動三個互相垂直的軸x、y、z的定義如下：x軸：沿著機身的方向，即縱向(longitudinal)，機首或向前方向為正 y軸：沿著主翼方向，即側
14、向(lateral)，以駕駛員的右手邊為正 z軸：和x軸與y軸平面垂直之方向，即垂直向(vertical)，向下為正飛行操作的六個自由度飛行操作的六個自由度飛行運動的軸體座標飛行運動的軸體座標 三軸座標系統的體軸座標(body axis)及其運動之定義：沿x軸的速度分量稱為前進速度：U 繞x軸的旋轉分量稱為側滾率：p 沿y軸的速度分量稱為側滑速度：V 繞y軸的旋轉分量稱為俯仰率：q 沿z軸的速度分量稱為垂直速度：W 繞z軸的旋轉分量稱為偏航率：r軸向軸向(axis)線性速度線性速度(linear velocity)角速度角速度(angular velocity)滾軸 OX前向速度 U滾率 p俯
15、仰軸 OY側向速度 V俯仰率q偏航軸 OZ垂直速度 W偏航率 r 六個自由度的向量六個自由度的向量飛行運動的控制翼面飛行運動的控制翼面 為達到飛行控制的效果，飛機設計了許多各自獨立的控制翼面，包括 副翼的轉動角：，做橫向運動的控制 升降舵的轉動角：，做縱向運動的控制 方向舵的轉動角：，做橫向運動的控制飛行操作的控制面飛行操作的控制面飛機的力平衡飛機的力平衡飛行中力平衡的條件飛行中力平衡的條件 巡航飛行中，保持一定的高度，升力與重力必須保持平衡 推力必須稍大於阻力，以獲得必要的速度變化的力 升力攸關速度、高度、溫度、氣流等因素，因此推力必須隨時修訂 每一個翼面操作都將導致力平衡的變化飛行時的重心
16、飛行時的重心 飛機離地前，所有的重量都支撐於輪子上，因此除了副翼、前後襟翼推出使翼面積增大所獲得的效應外，其餘各翼面的控制均不明顯 飛機在空中飛行，則以其重心為操作控制的參考點飛機平衡的槓桿原理飛機平衡的槓桿原理 依據牛頓力學支點在中間的平衡原理，一邊受到向下的作用力，另一邊必定向上揚起 當尾翼受到作用力時，機頭必然上揚，產生較大的攻角 依此類推其他自由度的控制操控飛行的各部機翼操控飛行的各部機翼水平尾翼的操作水平尾翼的操作水平尾翼的操作水平尾翼的操作水平尾翼的操作水平尾翼的操作水平尾翼的控制操作水平尾翼的控制操作側向飛行控制操作側向飛行控制操作垂直尾翼的操作垂直尾翼的操作滾向飛行控制操作滾向飛行控制操作滾向飛行控制操作滾向飛行控制操作副翼的操作副翼的操作機翼的操作與控制機翼的操作與控制機翼控制面的操作機翼控制面的操作飛行控制面的規劃安排飛行控制面的規劃安排自然的縱向穩定自然的縱向穩定航電硬體航電硬體 數位航電系統的電路板及區域電路箱
