2015年7月7日 星期二


(曾刊於某公司內部刊物)
相信許多同仁都有類似的經驗親黨契友、三姑六婆聽得閣下服務於台中AIXX此一高科技的大公司,除表欽敬久仰之餘苦無話頭可資嗑牙,於是不免強扮禮賢下士的角色找些聊些相當然耳該是您內行的話題討教討教 : 嘻,XX賢侄,敢問飛機如何飛起?!;  這下可把個可能窩在航電實驗室裡或在CAD/CAM領域中呼風喚雨的才子佳人們嚇出一身冷汗,除忙不迭地回話大哉問,大哉問,心中還得盤算如何閃爍其詞再轉移話題方才不露出馬腳。誠然,AIXX的優秀員工在各自領域裡的表現毋庸置疑,卻不必然能對最終產品飛機的操作原理作清楚的描述;本文就是希望對公司內非航空專業的其他部門的專家們作點常識性的介紹,大家就當作回學校補修通識課程好了。

話說從頭,一般我們認知的飛行器如飛機、直昇機等,要能飛起來都必須要靠有空氣的環境;這倒不只是發動機燃燒和飛行員需要空氣的理由而已,否則無動力滑翔機和無人遙控飛機都可以上太空啦,空氣在飛機運動中產生作用於飛行器的氣動力才是它飛起來的關鍵。

氣動力三字乍看下有點玄,空氣看不到、摸不著,憑什麼能產生什麼氣動力能把飛行器舉起來要解釋這點,大家需先瞭解三件事,一為任何氣體依然為有質量有密度的物質實體,否則颱風過後讓我掃樓頂的玻璃碎片是怎麼一回事另一為相對運動的觀念,列子御風與風托禦寇、飛機飛進空氣裡和空氣向著飛機迎過來都是同義的。最後為牛頓定律,一物體對另一物施力必產生一相對於已的反作用力,且大小相同、方向相反。這三項事實排列組合一下,各位就很容易瞭解氣動力不但可以存在而且還可幫人類編織出飛行的夢:發動機推動飛機機體飛進空氣中,使空氣與飛機的機翼產生一相對運動的關係,亦即相對風的效果,而由於風對一經設計的機翼表面的施力可使機翼產生一向上和向後的氣動力,於是,當向上的氣動力大到足以抵消飛機重量時,飛機就起飛啦!

知道氣動力的意義後,我們再從另一個角度來看飛機的飛行;如圖一,飛行中的飛機可以解析成四個力,其中兩個是自然力,另兩個是人造力,用來作功克服自然力的;我們先來談天然力,向下的為重力及相反於飛行方向的為阻力,重力就不用提了,到處都存在;阻力在飛行中因飛機運動而誘導產生,其大小與飛機外型、表面磨擦係數、速度及空氣厚薄都有相關,只能改善,無法避免。我們姑且這麼想;天然力為抵消或阻礙飛機維持飛行狀態的力,而飛機就是藉由升力及推力兩人造力克服存在的天然力已取得飛行狀態的維持。升力由機翼產生隨與空氣相對速度及攻角而增減,上文已提及,至於機翼為何能有升力產生,容下期再專文介紹;推力由發動機向後輸出高速空氣或轉換成軸功由螺旋槳產生。當向上升力等於向下重力時,飛行高度得以維持;向前推力等於向後阻力時,飛機速度可因而保持。當飛機的四個力完全平衡時,牛頓的動者恆動、靜者恆靜就可以看到了,飛機的等速平飛及等速爬升運動都是;
反過來應用,飛機更可利用此四力的不平衡關係做飛行姿態的控制,在人造力的大小和方向動手腳,破壞平衡而控制飛機,例如讓升力大於飛機重量飛機將上升,反之飛機將下降;推油門加大推力飛機便會加速,收油門便減速。

飛行的道理就是這麼一點點,夠簡單吧!簡單到不知要找什麼插圖美化月刊的版面。但我願在此強調一點,要飛起來很簡單,但要讓飛起來的飛行器能夠在控制下飛得好飛得穩、飛得順人的意並不容易,這中間不知演化出多少的新應用科學!發動機推力不足的時代各位可以看到滿天的雙翼機、三翼機,它們需要低速時足夠的升力,阻力、控制的問題就顧不了這麼多了,然而發動機效率增強後這些典雅的工藝品便快速凋零了;再如發動機的推力將飛機推到了高次音速的等級,也要等好一陣子的陣痛後高後掠薄前緣的機翼設計概念才形成。飛,永遠是人類夢想的啟示者。

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