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Miscellaneous, Definitions, Aerodynamics & Trivia 航空生理學、空氣動力學、雜項主題

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本章重點

文章標題 “Miscellaneous” ,也就是說,本章主題會是某種程度的大雜燴。

內容包含了航空生理、空氣動力學,還有一些難以歸類的雜項重點(尊重原作書籍架構)。

我會視情況調整刪減部分內容,力求全篇閱讀起來順暢。


航空生理學

缺氧 Hypoxia

缺氧 Hypoxia
  • 原因:體內缺氧
  • 症狀:幸福感、興奮感、失能、暈眩、刺痛感、視力模糊、盜汗、想睡、嘴唇或手指頭發紫
  • 昏迷時間表 (下列常見巡航高度)
    • 40000 ft:15-20s
    • 35000 ft:30-60s
  • 解法:盡快帶上氧氣面罩、降低飛行高度至 10000 ft

換氣過度 Hyperventilation

缺氧 Hypoxia
  • 原因:過度恐懼、焦慮、緊張導致換氣過度(體內二氧化碳過低)
  • 症狀:和 Hypoxia 類似,唯扣除掉上述最後一項 → 嘴唇手指頭發紫不會有
  • 解法:降低呼吸頻率、使用袋子呼吸、大聲講話

一氧化碳中毒 Carbon Monoxide

一氧化碳中毒 Carbon Monoxide
  • 原因:吸入過多一氧化碳(小飛機發生機率較大客機高)
  • 症狀:失去意識、心律不整、癲癇,以致死亡
  • 解法:高壓氧治療

耳鳴 Ear Block

耳鳴 Ear Block
  • 原因:快速壓力變化,造成耳咽管內壓力不平衡
  • 症狀:持續的怪聲或耳朵不適感
  • 解法
    • Toynbee Maneuver:捏鼻吞口水
    • Valsalva Maneuver:捏鼻,對鼻孔吹氣

傷患後送 MEDEVAC (Air Ambulance Flight)

傷患後送 MEDEVAC (Air Ambulance Flight)
  • 飛機上有醫療傷患的專機,通常須符合以下兩個條件:
    • Flight Plan:emark 欄位上有註記 “MEDEVAC”
    • Call sign:”MEDEVAC” +XXX (飛機註冊代碼)

也就是說,如果原先沒有在 Flight Plan 申請,飛到一半突然有 Medical emergency,是不可以擅自使用 “MEDEVAC” 在呼號裡的,Call “MAYDAY” or “PAN-PAN” 即可


空氣動力學

飛行的四力(升力、重力、推力、阻力)

讓飛機飛在空中,可以說是物理學上的奇蹟,飛機離地的那個霎那,就像魔術一樣神奇。

其實以巨觀角度來看,其實是四個力量的消長,所達成的結果。

飛行的四力(升力、重力、推力、阻力)

如果是抽象的職涯思考,飛行員的腦中,可能想到的是另外四個力。

飛行的職涯四力(Dreams, Money, Reality, FAA)

提供飛機往上的力量,也就是所謂的「升力 Lift」,其實是發生在機翼表面的空氣流動造成。

下面來看科學人製作的一個影片,來解釋升力如何產生。


以下討論的重點,將聚焦於機翼的簡單觀念。

機翼剖面圖

Chord/ Chord Line 翼弦線

  • 機翼前緣(Leading edge)到機翼後端(Trailing edge)的直線(一條假想的線)

Camber 弧

  • 機翼前緣(Leading edge)到機翼後端(Trailing edge)的弧線
    • 上弧線 Upper Camber
    • 下弧線 Lower Camber
    • 中弧線 Mean Camber(假想的一條線)

Relative Wind 相對風

  • 相對於機翼的氣流行徑的方向稱之
  • 飛行路徑(Flight Path)的相反方向

AOA (Angle of Attack) 攻角

  • 翼弦(Wing chord)和飛行路徑(Flight Path)的夾角
  • 並非和地平面的夾角(時常會搞混)
  • 飛行員可操控,隨著飛行不同階段,可能隨時改變
  • 註:飛行路徑(Flight Path)和相對風(Relative Wind)是同樣的軸線,相反方向

AOI (Angle of Incidence) 波動角

  • 翼弦(Wing chord)和飛機縱軸線(Longitudinal Axis)的夾角
  • 飛行員無法改變該角度。因為飛機在設計的時候,此角度就已經確定
飛機的各種角度

Wing Planform 機翼平面

重心偏後的飛機
  • 機翼鳥瞰下來的形狀,不同的形狀,有不同的特性

Aspect Ratio 展弦比

  • 翼展和翼弦線的比例,影響升阻比(下段述)比例
  • 高展弦比特性
    • 較少的 Induced Drag
    • 結構較強(翼展長)
    • 較低的 Maneuverability

Lift-Drag Ratio 升阻比

  • 機翼產生升力和阻力的比例 = CL/CD
  • 影響因素
    • 機翼造型
    • 升力裝置
  • 很大程度影響
    • Max Endurance
    • Max Range
    • Glide ratio (Glide Range):和重量無關。同樣 Glide ratio,重量大者,Glide Speed 大,會較早落地於同一個點

CG(Center of Gravity)重心

https://i0.wp.com/i.pinimg.com/originals/dd/90/49/dd9049cb8e62fd3ade11fef6cb7211ac.jpg?w=1290&ssl=1
  • 飛機的重心
  • 可以想像用一條線吊著一架飛機,頭尾剛好平衡,不會某端特別重的一個點
  • 重心位置,對於油耗、操控性、穩定性皆有影響

Center of Lift 升力中心

  • 機翼升力中心,也稱為 Center of Pressure,是所有在機翼上產生的升力一個假想的集中點
  • 隨著攻角改變,該點的位置亦隨之改變

Drag 阻力

Drag 阻力
  • 一種由風產生,對前進的飛機扯後腿的力(方向往後)
  • Drag 可分為兩種
    • 寄生阻力 Parasite Drag
      • Form Drag:飛機外型,自然產生的阻力
      • Interference Drag:各部位接縫處不平滑,產生的阻力
      • Skin Drag:機體、機翼結構表面的不平滑,產生的阻力
    • 誘導阻力 Induced Drag
      • 升力的副產品。
      • 機翼設計角度以及弓角角度,並非完全與地面垂直。因此升力產生的方向,並非完全朝上,而是上後方。上後方向的分立:往上為升力、往後為阻力。

Air Density 空氣密度

升力公式 Lift = 1/2ρ V² CL.S
  • ρ 就是空氣密度,隨著溫度、壓力、濕度而有所變化
  • 溫度低、壓力小、濕度低,空氣密度高;反之,空氣密度低
  • 延伸名詞:Density Altitude 密度高度

Stall 失速

  • 飛機產生的升力不足以支撐飛機的重力稱之
  • 任何速度、高度都有可能失速
  • 主因:攻角過高(當時的飛機攻角 > 臨界攻角 Critical AOA)
  • 解法:降低攻角,在最短時間內,用速度換取升力!

Load Factor 負載係數

Load Factor 負載係數
  • 機翼上承受的力量和飛機重量的比值,通常在轉彎的時候就會增加,因為升力產生的方向改變了
  • 該比值也俗稱為 G(G 力、G 值 都有人稱呼)
  • 轉彎角度
    • 60°:2 G
    • 80°:5.76 G

FlapsSlots, Slats 升力裝置

Flaps, Slots, Slats 升力裝置
升力公式 Lift = 1/2ρ V² CL.S
  • 襟翼 Flaps:模仿鳥類後面美麗羽毛的一個機翼後援裝置(其實整架飛機都是仿生鳥類在設計啊 )
    • 作用:
      • 改變 Chord line 角度、增加臨界迎角 → 增加 CL
      • 增加機翼表面積 → 增加 S
    • 效果:降低失速速度、增加升力
    • 有幾種不同類型的 Flaps,分別是
      • Plain Flap
      • Split Flap
      • Slotted Flap
      • Fowler Flap
  • 前緣縫翼 Slats/Slots
    • 作用:改變氣流流向、增加上下機翼壓差 → 增加 CL
    • 效果:降低失速速度

Ceilings 極限高度

飛機在性能或結構上的飛行高度限制,主要分為以下三種:

  1. Certified Ceiling(結構限制):隨著飛機高度增加,內外壓差增加,即使有加壓能力的飛機,也有一個上限的高度
  2. Service Ceiling(性能限制):以僅剩的爬升率來定義,將隨各條件不同而改變
    • All Engine:僅能維持 100 fpm
    • Single Engine:僅能維持 100 fpm
  3. Absolute Ceiling(性能限制):最高可以維持平飛(無法再往上爬,0 fpm)

MISC 雜項

PIC(Person In Charge)

Horses
  • 對於整趟航程的安全有最終職責的那個人,也就是俗稱的機長
  • 在極少數特殊狀況,PIC 可能在航程中會換人當,相關程序會在公司手冊規定
  • 冷知識
    • 一般飛機:PIC 在左座(延續航海傳統)
    • 直升機:PIC 在右座(操作習慣)

Horsepower (hp) 馬力

https://i0.wp.com/images2.minutemediacdn.com/image/upload/c_crop,h_1931,w_3444,x_0,y_85/f_auto,q_auto,w_1100/v1561482325/shape/mentalfloss/33490-istock-831751056.jpg?w=1290&ssl=1

在國高中時,我們學過一些基礎的物理量,在我研讀過後,我想稍微統整一下那些容易混淆的名詞和觀念,分別為力、功、功率

力的單位

  • 英文:Force
  • 定義:F = ma (力 = 質量 x 加速度),大家應該不陌生。 質量和重量在物理上是不一樣的單位。一個物體在任何場域下都會是相同質量(地球、火星、外太空),然而,重量會因為種立場不同而相異。在地球上的 a 就是 g = 9.81 m/s。以下討論,一律假設在地球上重力場的情況,只討論重量,而非質量。
  • 常見單位:公斤重 kgw、公克重 gw、磅重 lbw,在口語上,我們通常會忽略後面的”重“字,是因為大家都生活在地球上,為了方便就予以省略了

功的單位

  • 英文:Work
  • 定義
    • Force x Distance (力 x 距離),用固定的力走了多少距離,稱為功
    • 功和能量在物理上是可以互相轉換的單位(非常重要)
    • 在航空界,我們常討論的「能量管理」就是動能 Ek 和位能 U 之間的轉換
  • 常見單位 ft·lb(w), kW·h, HP·h

功率的單位

  • 英文:Power
  • 定義:
    • = Force x Distance/ Time (力 x 距離 / 時間)。
    • = Force x Velocity
    • 有”率“一字出現,代表時間單位進來了。每單位時間做了多少功,稱之為功率。
  • 常見單位:
    • hp (Horsepower) = 550 ft·lb/sec = 33,000 ft·lb/min
    • kW, W. (1hp = 745W)

參考資源

整理完這段,我發現高中唸物理的時候,似乎不像現在,頭一次將這些概念搞得那麼清楚過 !

Clearway vs. Stopway

Clearway vs. Stopway

書裡面提到了 Cleaway 和 Stopway,分別是上圖兩個縮寫 CWY, SWY,用處是飛機於起飛和落地階段,分別要考量的區域。

A.區域

Clearway

  • 飛機起飛階段,不能用來加速滾行,而是於初始階段爬升,1.25% 斜率高度內沒有地障的區塊

Stopway

  • 飛機起飛階段煞停後,正常跑道以外,可讓飛機用於煞停的一個區塊
  • 在機場看到黃色的 V 字型區域就是了
  • 部分會是 EMAS 的結構(在機場的地面塗上會標示出來 e.g . RCSS RWY10 就有)

介紹完了區域,下面就以起飛和降落來整理一下常見的 4 個,關於跑道長度縮寫定義:

B.跑道長度

起飛

  1. TORA(Takeoff Run Available):跑道供飛機加速滾行的距離(不包含 SWY, CWY)
  2. TODA(Takeoff Distance Available):TORA + Clearway(如果有的話)
  3. ASDA(Accelerate Stop Distance Available):TORA + Stopway(如果有的話),飛機從滾行加速到放棄起飛 (RTO) 後,可煞停的總距離

降落

  1. LDA(Landing Distance Available):可供飛機落地至煞停的距離(從 Displaced Threshold 起算,如果有的話,並且不包含 SWY, CWY)

下圖是一些常見的組合,其實看來看去就是上面幾的名詞拼拼湊湊而已,千萬不要被嚇跑了

延伸閱讀:Balanced Field

Night

Nights Definitions

研究到這個主題的時候很有感。在學飛的時候,這個 Night 曾經讓我非常困惑,因為 FAA 的法規寫的超級模糊,一下這樣一下那樣,於是乎當時我整理了一篇筆記,收錄在這裡

這邊我就簡單提示一下重點就好。

陽光在地平線以上,稱為日出 Sunset;下到地平線以下,稱為日落 Sunset。

日出之前、日落之後仍然會有一點微光,分別稱為曙光、暮光(上圖是以日出前的曙光為例)

曙光(清晨)、暮光(黃昏)在定義上,有分為三種:

  • Civil Twilight – 民用曙暮光
  • Nautical Twilight – 航海曙暮光
  • Astronomical Twilight – 天文曙暮光

在航空業,我們只在意兩個時間點,兩個時間差不多是半小時的差別。

  1. Sunset/Sunrise
    • 太陽、地平線 0° 夾角
    • 開燈、Special VFR、載乘客 currency
    • 手機上的日出、日落時間就是這個時間
  2. Civil Twilight
    • 太陽、地平線 6° 夾角
    • FAA 定義的 Night Time
    • Logbook 上要登陸的 Night Time 時數

以 777 長程機隊通常都是夜航,這個時間的精準性就不是特別重要了。透過科技,這個時間就很容易計算出來,我目前在使用的飛時記錄軟體是 Log ATP,一旦登錄了起飛、降落時間,軟體就會自動帶出該行段的夜航時間了,是不是很省事呢?

Hydroplaning 打滑

Hydroplaning 打滑

打滑就打滑,還有什麼學問?

有的,關於打滑,主要有兩個重點要掌握,一是類型、二是速度,有了這層意識後,或許在往後的操作,就可以更加謹慎以避免打滑了。

A.類型

https://mycfibook.com/wp-content/uploads/media/Types-of-Hydroplaning.svg
  • Dynamic:道面積水至少到一定程度(1/10 inch),導致輪胎像是漂在水上(摩擦力過低)
  • Viscous:道面上的油漬或是飛機落地時,橡膠輪胎熱熔後,黏上胎面產生的薄層物,再結合積水,導致的打滑
  • Reverted Robber:煞停的輪胎鎖死,導致橡膠熱熔回道面,產生的熱蒸發水為水汽,這股汽抬升了輪胎、也間接幫助橡膠的再生成(我試著以字面上來解釋,很微觀的現象,也只能靠想像了 )

B.速度

打滑會發生的**速度,**和主輪胎壓 (psi) 的根號成正比關係,以 777 為例,主輪胎壓約為 220 psi,起飛、降落易發生打滑的速度分別為

  • 起飛:8.6 x √220 = 133.5 ~= 135kt
  • 落地:7.7 x √220 = 118.7 ~= 120kt

C.其它

除了於以上兩者,仍有一些狀況可以多方考量,例如:

  • 輪胎胎壓(起飛前檢查要確實)
  • 輪胎胎線
  • 跑道道面結構(Grooved, non-grooved, PFC
  • 道面狀況 Runway Condition (積水深度)
  • Anti-skid System
Aircraft Weight Class

Aircraft Classes 飛機等級

https://i0.wp.com/cdn.boldmethod.com/images/pages/learn-to-fly/aerodynamics/wake-turbulence/wake-757-nocredit.jpg?w=1290&ssl=1

依照最大起飛重 MTOW 來為飛機分類的方式。

不同的重量,起飛、落地階段會產生不同程度的亂流,為了讓 ATC 以及附近的飛機知悉,在無線電中,”HEAVY”, “SUPER” 的飛機,會在通話中,特別被強調。

以 777 為例,最大起飛重量是 775,000lb, 777F 則是 766,800lb,就是落在 “HEAVY” 的區間。

https://i0.wp.com/www.researchgate.net/profile/Liling-Ren/publication/331297441/figure/tbl7/AS:729321425600512@1550895186902/FAA-Aircraft-Weight-Class-and-ICAO-Wake-Turbulence-Categories-WTC.png?w=1290&ssl=1

Simulators 模擬機

Simulators 模擬機

在查找資料的過程,我發現模擬機的縮寫真是千千萬萬種。FSTD, FTD, FFS…,實在是不堪其擾。

直到看了 Wiki 的說明頁後,才知道怎麼回事。名稱的差異,其實是有段歷史故事和派系關聯的(FAA, EASA 兩派),這邊大概掌握幾個重點:

  • FFS Level D 是最高階的 Level ,也是航空公司使用的模擬機的類別
  • 可以模擬日夜、颳風、下雨、閃電…等狀況的視覺和聲音效果,並且提供至少 150° 窗外視野
  • 可以在模擬機中考核 Type Rating
  • 六軸變向(6-DoF)的液壓系統,讓飛行的體感更加擬真
六軸變向(6-DoF)

個人心得

冗長凌亂的文章

這篇文章整理了很久,因為中間經歷了 EBT 考試、搬家、其他研究閱讀計畫…。

一直考慮要不要拆分這篇文章。後來以先求有、再求好的原則,還是決定先 follow 原書的架構,暫時決定統整為一篇文章,待未來有不同的想法,再寫一些延伸主題。

如果讀者閱讀起來,覺得主題很跳 tone 的話,我只能先說個抱歉了。

空氣動力學心得

空氣動力學這個主題,是我在學飛時期最喜歡的科目,可能因為使用到高中學到的物理還有一些簡單數學,覺得過去辛苦念的東西,終於有派上用場的一天了!

當中有一些重要結論,是要自己推導一遍才會記得的。

我想是這個學習的過程讓我沈迷於其中,也讓我在航空公司考試的時候,答題相對得心應手 。

這邊想要分享一個小訣竅,就是在思考空氣動力學的任何問題,都可以盡量把升力和阻力公式銘記在心。並且每一個符號確切代表的意義都要弄懂,這樣會大幅幫助自己,在研究、推導的過程更加順利!


參考資源


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