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高考申論題 112年 [航空駕駛(選試直昇機飛行原理)] 直昇機飛行原理

第 一 題

📖 題組:
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。
題組圖片
📝 此題為申論題,共 2 小題

小題 (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)

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看到同軸雙旋翼設計,首先切入『牛頓第三定律』,利用上下旋翼反向旋轉來抵消反扭矩。接著分析旋翼動力學:升力必然垂直向上以對抗重力,誘導氣流必然向下以產生反作用力,藉此明確推導出各個物理向量的繪製方向。

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【解題思路】依據牛頓第三運動定律與旋翼空氣動力學,同軸雙旋翼藉由反向旋轉來抵消反扭矩,同時兩者皆須產生向上的升力與向下的誘導氣流。 【詳解】 本題要求以繪圖方式標示,以下提供各物理量於圖上的精確向量畫法與力學解釋:

小題 (二)

說明同軸雙主旋翼直昇機之優缺點。(11分)

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看到同軸雙主旋翼,首要聯想「同軸反轉」的物理本質:利用上下旋翼的反向旋轉來抵銷反作用扭矩,從而省去尾旋翼。答題時,優點應著重於動力轉換效率(無尾旋翼損耗)、結構緊湊、以及不對稱升力與陀螺效應的相互抵銷;缺點則須切入機械結構的極度複雜性、上下旋翼的氣流干擾(下洗氣流影響),以及旋翼揮舞自由度帶來的葉片相撞風險。

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【破題】 同軸雙主旋翼系統(Coaxial rotor system)係藉由共軸安裝兩組旋轉方向相反的主旋翼,利用動量守恆原理抵銷彼此產生的反作用扭矩(Anti-torque),進而免除傳統尾旋翼的需求。此設計在空氣動力與飛行力學上具有獨特的優劣勢。 【論述】

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