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高考申論題 113年 [航空駕駛(選試直昇機飛行原理)] 載重平衡

第 一 題

📖 題組:
請試述下列名詞之意涵:(每小題 5 分,共 25 分) (一)備用油量(RFW) (二)重心限制(CG limits) (三)許可空重(Licensed empty weight) (四)重心包線(CG envelope) (五)平均空氣動力弦(MAC)
📝 此題為申論題,共 5 小題

小題 (一)

備用油量(RFW)

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看到此題,應先寫出「備用油量」的完整英文縮寫(Reserve Fuel Weight)。接著回想法規對備用油的要求(應付突降、盤旋等突發狀況的燃油),最後務必連結到「載重平衡」,說明這筆重量在正常情況下不會被消耗,因此會影響飛機的落地重量與落地重心的計算。

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「備用油量」(Reserve Fuel Weight, RFW)指飛機在執行飛行任務時,為應對不可預見之情況(如天氣惡劣、航管延誤或轉降備降機場)而依法規要求額外攜帶之燃油重量。 其特徵包含:(1) 通常由航路備用油(Contingency fuel)、備降油(Alternate fuel)及最終儲備油(Final reserve fuel)等項目組成;(2) 在正常飛行狀況下,此部分燃油於航程中不會被消耗;(3) 屬於起飛油量(Take-off Fuel)的一部分。 實務應用為確保飛行安全底線。在載重平衡管理上,因 RFW 在正常降落時仍會留在油箱內,故在計算預估落地重量(Estimated Landing Weight, ELW)與落地重心時,必須將其重量與相對應之油箱力臂(Arm)與力矩(Moment)納入計算,以確保降落時的重心仍落於安全限制(CG limits)之內。

小題 (二)

重心限制(CG limits)

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看到此題,應立即聯想名詞解釋的三要素:中英完整術語、操作定義、以及物理/空力原理。除了解釋『重心前後界線』外,務必從升力中心與重心相對關係出發,分別論述『超出前重心』及『超出後重心』對飛機操縱性(配平阻力)與穩定性(失速)的具體危害。

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「重心限制」(Center of Gravity Limits,簡稱 CG limits)指為確保飛機在各飛行階段之安全與操縱性能,飛機製造廠所規定之飛機重心容許移動之前後界線範圍,主要分為前重心限制(Forward CG limit)與後重心限制(Aft CG limit)。 在空氣動力學與物理原理上,重心位置必須與升力中心(Center of Lift)保持適當相對關係,特徵包含:(1) 若重心超出「前重心限制」(過度靠前),機首向下力矩過大,需增加水平尾翼的下壓力來平衡,這不僅增加配平阻力(Trim drag)導致經濟效益下降(油耗增加),亦會造成起飛抬機頭(Rotation)或落地平飄(Flare)困難;(2) 若重心超出「後重心限制」(過度靠後),重心會過於靠近甚至落於升力中心之後,導致飛機縱向穩定性(Longitudinal stability)急遽喪失,極易造成失速(Stall)且失速後難以改出,對飛安具有致命威脅。 實務應用為飛航簽派員與地勤載重管制員於航班起飛前製作艙單(Loadsheet)時,必須藉由力矩與力臂之平衡公式計算,嚴格確保飛機在零油重量(ZFW)、起飛重量(TOW)及落地重量(LAW)等各狀態下,其重心皆落在此限制包線範圍內。

小題 (三)

許可空重(Licensed empty weight)

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看到「許可空重」,應立即聯想到飛機基本重量的定義,並點出其與現代「基本空重(Basic Empty Weight)」的核心差異。關鍵在於指出它包含「不可用燃油」與「不可抽取的滑油」,且在實務計算時必須額外加入作業滑油的重量。

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「許可空重(Licensed Empty Weight)」指飛機包含機身結構、動力裝置、所有標準固定設備、不可用燃油(Unusable fuel)及不可抽取的滑油(Undrainable oil)之重量總和。 特徵包含: (1) 時代適用性:主要用於 1976 年以前取得適航認證的航空器。

小題 (四)

重心包線(CG envelope)

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看到「重心包線」,應立即聯想到重量與重心(CG)相對關係的「二維圖表」。作答時必須點出縱軸(重量)與橫軸(重心位置,常以%MAC表示),並強調其代表的安全操作範圍,最後說明若超出包線(前限或後限)對飛機縱向穩定性與操控性的致命影響。

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「重心包線」(Center of Gravity Envelope,簡稱 CG Envelope)指飛機在各種允許的重量條件下,重心(CG)被允許移動且能維持安全飛行的範圍圖表。 特徵包含: (1) 座標結構:通常以「飛機重量」為縱軸,「重心位置」(通常以基準面後之長度單位或平均空氣動力弦百分比 %MAC 表示)為橫軸繪製而成。

小題 (五)

平均空氣動力弦(MAC)

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看到「平均空氣動力弦(MAC)」,首先要寫出完整英文(Mean Aerodynamic Chord),並解釋「弦」在空氣動力學中的定義。接著,必須將 MAC 與「重心(CG)」的表示法(% MAC)連結,說明它如何用來界定飛機的俯仰穩定性、配平阻力,進而影響飛行安全與燃油經濟效益。

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「平均空氣動力弦」(Mean Aerodynamic Chord, MAC)指在空氣動力學中,為了解決非矩形機翼(如後掠翼、漸縮翼)各處弦長不一的問題,所計算出的一個假想等效矩形機翼之弦長;此假想機翼所產生的升力與俯仰力矩與實際機翼完全相同。其特徵與實務應用包含: (1) 幾何界定:MAC 具有特定的長度,並具備前緣(LEMAC, Leading Edge of MAC)與後緣(TEMAC, Trailing Edge of MAC)作為計算基準。 (2) 重心表示法(% MAC):在大型民航機的載重平衡與操作中,飛機的重心(CG)位置不以絕對距離(如英吋)表示,而是將重心位置換算為 MAC 長度的百分比。例如 25% MAC 代表重心位於自 LEMAC 算起,總 MAC 長度 25% 的位置。

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