2015年7月4日 星期六

飛機如何改變飛行姿態?

飛機如何改變飛行姿態?


在先前”文當中將構成飛機飛行的影響因素化約成重力,升力,推力及阻力四種力(圖一)。這四個原力的消長可以讓各位更容易瞭解飛機能飛的道理。

但且慢!僅靠四力作用充其量也不過能讓飛機起來爬爬雲(西遊記中菩提祖師在教孫悟空觔斗雲前用語)而已,能飛起來可與飛得自由自在有天壤之別!君不見CCK空軍基地開放日試飛官做Air showIDF的那股辛辣勁兒?飛機不但不是”I Don’t Fly” ,還能在這麼接近我們的地方又打滾兒,又翻筋斗的。
一架飛機為什麼能做出飛起來之外這麼繁複的動作呢?

答案其實還是在機翼產生升力這件事情上(請參看機翅膀如何讓飛機飛起來”) ,但在解釋這個答案之前,本文照例又要來上一段物理,希望以簡駁繁,"神奇"化為"理所當然"。首先,飛機佔有一不小的體積,識實務的我們不能再視之為一質點,而就因它是個有體積,佔空間的物體,要想充分地描述它在空間中的運動就不再只是高中物理運動學裡的質點移動而已了,這質點"動"之外還應該加上"轉"

瞧瞧圖二,一架飛機可以在前後、左右、上下三個方向移動,而且還可以在通過飛機重心的三個軸上自由轉動,即圖上所謂的偏航、俯仰、滾轉三種轉動。

       我們暫且按下飛機三種轉動不表,單先看那轉動如何產生:轉動的運動也是由力產生的,不過力的施力點與轉動的中心卻有一距離,轉動程度的大小於是也就同時跟這距離的遠近及施力的大小成正比。我們叫這描述轉動程度的量為力矩,同樣大小的力矩距中心愈遠者需施的力便愈小,反之要更大(圖三)

       我想在這大膽地把力矩的效應用槓桿來打比方,槓桿有一中心不動的支點,支點兩頭施力,而施力處與到支點的距離的乘積便是各自貢獻力矩的大小,方向不同的力矩可以如力的向量加減一樣的加減,如若橇橇板兩頭產生的力矩剛好抵消,我們便得到一維持現況的結果,而若最後力矩的合不是零,則槓桿將為這最後的力矩合繞著支點轉動。以機構上的意義來說力矩可以提供一轉變受力機構方向姿態而非位置平移的效果。在現實世界中到處可看到力矩的應用的如撬撬板、門、方向盤、甚至你我身上的手臂關節等,下文馬上也會提到飛機也是透過控制面產生氣動力矩來改變飛機的飛行姿態的。
有了力矩這個工具,我們又已瞭解到機翼攻角或翼型的改變會改變升力的大小,飛機轉彎打滾兒的秘密就昭然若揭了。現在我們把飛機重心當成飛機偏航、俯仰、滾轉三種轉動的支點,然後在這三個轉動軸的垂直方向各自安上機翼,將它們當作是槓桿,大家來看看圖四,改變各片機翼的曲度以增減升力是不是像在改變槓桿兩端施力而消長其合力矩,合力矩不為零便產生一繞支點轉動的效應了!飛機能爬升下降,能轉彎,能做出許多複雜的立體動作,都是靠著這三根槓桿兒的不平衡變動飛機姿態去協調出來的。

       
       道理講完了,其實剛才那些一言以蔽之的機翼各部都各自有名有姓。請看圖五,機翼就不用說了,機翼後緣外側用以改變該區域翼弧度的翼片叫做副翼,操作上兩端副翼是反向的,用於飛機的滾轉,它們安裝於機翼最外端的理由無非是為了相同的力矩增加了施力距離就可降低施力,得不用這麼辛苦;機尾水平的那一對小片機翼叫水平尾翼,它的後端可動的小片片叫升降舵,顧名思義可以藉著水平尾升力增減改變飛機的俯仰,由於位置的關係,水平尾升力增加造成的是機頭下俯的效果。將機翼當斧頭砍在飛機後腦杓的叫做垂直尾翼,後緣的可動片叫方向舵,方向舵向左打時,向右邊的升力增加,可造成機頭向左的效果。副翼,方向舵,及升降舵我們總稱其為控制面,意指藉著操縱這幾個平面達到間接控制氣動力在各部位機翼分佈的目的。


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