目前分類:航空基礎知識 (109)

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我們都知道,作用在飛機上的推力是一個有大小、有方向的動量,這種動量被稱爲向量(Thrust Vector, TV)。但在傳統航空器上,推力都順著航空器軸線朝前,方向並不能改變。而向量推力技術就是通過偏轉發動機噴射氣流的方向,從而獲得額外操縱力矩的技術,爲了強調此技術中推力方向可調整的特性,故稱之爲向量推力控制(Thrust Vector Control, TVC)技術。

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機翼是飛機上一個極為重要的組件,飛機的升力大部份皆為機翼所産生。自1903年萊特兄弟的首架飛機完成動力飛行後,航空工程師們便投入了大量的人力、物力到提升飛機的飛行速度上,飛機的速度大約每十年就有新的記錄來刷新,從最初的時速幾十公里到如今的超音速飛行,在這中間機翼扮演了一個重要的角色。

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垂直起降(Vertical Take-off & Landing, VTOL)技術,顧名思義就是不需要跑道滾行飛機就可以起飛及降落的技術,此項極為複雜的航空科技於1950年代末起開始發展。

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在1991年1月17日的淩晨,當伊拉克首都巴格達市的人們還在呼呼大睡時,幾架外形狀似蝙蝠、顔色漆黑的戰機於前進基地中起飛,無聲無息的飛進伊拉克的領空,並在數分鐘後突然出現在巴格達市的上空,向位於市中心的通訊大樓投下了精確引導的GBU-24雷射導引炸彈,四十五分鐘後,遲到的空襲警報聲才響起。成功完成此次空襲任務的神秘戰機便是美國空軍引以為傲的洛馬(Lockheed Martin)F-117A夜鷹式(Night Hawk)匿蹤戰機。早在1989年12月美國進攻巴拿馬的戰事,F-117A首次投入於實戰中,直到這次波斯灣戰爭才充分展現了匿蹤戰機的軍事價值:在作戰期間中,空防嚴密的巴格達市內95%的目標皆為F-117A在夜間進行炸射並摧毀的,並且在執行任務的過程中沒有損失任何一架F-117戰機。這個完整記錄皆歸功於F-117A所採用的匿蹤技術(或稱隱形技術)。

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旋翼機(Autogyro)與直升機(Helicopter)兩者若不仔細看,外型簡直一模一樣:兩者機身在頂部皆有一具大直徑的主旋翼,在飛行中皆依靠主旋翼的旋轉産生升力。但除去這些外型上的一致性,旋翼機與直升機卻是兩種性質上完全不同的航空器。

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由於直昇機可懸翔、前後左右飛行並可於狹小場地降落的優異性能,甚至可翻山越嶺、深入海洋、飛入人煙罕至的沙漠與高山。在加上直昇機可做出許多固定翼航空器做不到的飛行動作,使得用途不斷推展。美國是使用直昇機最廣泛的國家,並將直昇機的特性發揮到極致,因此直昇機的用途大致可分為農業用途、工業用途、公共服務用途及軍事用途,以下是以美國為例。

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三、縱列雙旋翼式直昇機
縱列雙旋翼式於直升機機身前後上段各有一座主旋翼塔,兩具主旋翼分別裝置於兩個塔座上,兩具主旋翼直徑完全相同,但旋轉方向相反,它們所產生的反作用扭力的力矩就可以相互平衡。

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直升機(Helicopter)的主旋翼在空中快速旋轉時,相對氣流會給主旋翼一個反作用扭力的力矩,若不設法平衡掉這個扭力,直升機就會在空中打轉,不能向前直線飛行,也就無法進行俯仰(Pitch)、滾轉(Roll)、偏航(Yaw)的操縱。以不同的方式來平衡主旋翼的扭力,也因此直升機發展出幾個不同的構型。主要構型包括以下五種:

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西爾瓦帶著自製的旋翼機於1928年至美國巡迴展示,並有兩家廠商與西爾瓦簽約授權生產旋翼機,並加以改良。皮肯(Harold Pitcairn)經營的工廠工程師將旋翼機裝置傳動系統,使航空器在起飛時能快速獲得旋翼的速度,在達到安全高度時傳動系統與發動機脫離而主旋翼繼續旋轉。此外並將旋翼葉片機構修改,將葉片根部加裝一根垂直的鉸鏈,因此主旋翼在轉動時可做前後移動並可上下轉動。再者以操縱連桿的方式改變旋翼的攻角,如此飛行員就可對旋翼機進行縱向及橫向的操控。另一家肯里特(W. Wallace Kellett)經營的工廠,有位工程師布里維特(Prewitt)注意到旋翼機的主旋翼集體角度改變(Collective Ptch Change),即同時改變所有旋翼葉片角度的問題及旋翼葉片在旋轉時產生的振動,於是利用液壓減震器解決,此方式並沿用至今。

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飛鳥啟發古人們對飛行的幻想,既而想到模仿鳥類飛行,也促使日後航空科技的蓬勃發展。直升機及旋翼機的飛行原理與公元前四世紀,中國古代先民所發明的小玩具「竹蜻蜓」完全相同,同樣是藉旋轉旋翼產生升力而上升。

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隨著科技的不斷進步,大眾運輸系統變得越來越發達,交通工具的行駛速度也不斷提高,也就意味著不安全因素增多。由於航空器是在天空中飛行,不可能像車輛或是列車那般中途停下來進行修理,一旦出現機件故障的情況,若情況嚴重往往會導致機毀人亡的結果。因此在商用機(客機)上有一套為應付突發事故的安全救生設備,以使將事故的損失降到最低程度。

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隨著科技的不斷進步,大眾運輸系統變得越來越發達,飛機成為一種十分便利的交通工具,乘坐商用機(客機)旅行既舒適又省時。雖飛機的事故發生率遠低於汽車、火車等交通工具,但由於飛機的特殊性,一旦發生事故就會產生較嚴重後果,而且民航發展史上也有著許多因旅客缺乏安全常識而造成的慘痛教訓,因此普及大眾的飛行安全常識就成了一件刻不容緩的事。

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飛機所使用的材料(material),大致可分為金屬材料、非金屬材料與複合材料,任何一種都是質輕、強度夠,或是加工性或耐熱性佳等,這些材料都是隨著飛機設計者對材料的需求,而逐步研發出來的。

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二、非金屬材料
(1)塑膠材

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柒、軟體的角色
在航電硬體發展的同時,在現代戰機整體性能上,航電軟體具有重要的角色。早期戰機上的航電軟體,通常是以不同的程式語言撰寫出一堆小程式,各自在航電電腦內負責不同功能。後期戰機上的這些程式,被單一、合併眾多模組化小程式的作戰飛行程式(Operational Flight Programme)取代,此程式包括管理(Executive)及應用(Applicative)兩部份,前者負責系統管理及資料交換(含錯誤控制及記憶體管理),後者負責全部的武器系統。此項航電軟體的改良,於戰機上成功使用後,航電業者將其應用在新一代的民航機航電系統上。

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陸、模組化
持續進步的微電子學(Microelectronics)及微處理器,使航電系統體積及重量大幅降低,但同時客戶對功能需求又不斷增加,因此只得加裝新裝備,但又需儘量減輕飛行員的工作負荷,使得模組化航電概念成為目前航電研發展的主流。美國空軍於1978年開始進行的整合式通訊、導航、標定航電(Integrated Communication, Navigation And Identific-Ation Avionics, ICNIA)計劃,是第一個軍用模組化航電計劃案,以共通性模組來完成多種不同的航電功能。

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肆、數位科技時代
自1970年代開始,因數位科技及超大型積體電路(Very Large Scale Integrated Circuits)的快速發展,使得航電系統越趨精巧而功能日益強大,可擔負以往必須由多項次系統才能完成的工作,這種進化過程在推出第一代微處理器時達到最高峰,配合同步發展的先進軟體程式,提供強大的資料計算處理能力。

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伍、航電發展的限制
大型積體電路的出現來自於電晶體的發明,大幅改善平均故障間隔、可靠度,但科技的發展卻很少善用此優勢,廠商反而競相設計更複雜、功能更強的航電系統,造成飛行員的工作負荷更重,而目前此過程現在已達發展極限。

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航空電子系統(Avionics System),其英文“Avionics”是由“Aviation(航空)”和“Electronics(電子學)”兩詞相結合,而衍生出來的。自二次大戰結束後的五十幾年來,美、德、法、英、俄先後投入對航電系統技術的研究,航電已經成爲航空科學中一門獨立的學科。隨著數位技術、半導體工業的的迅速發展,航空電子設備的性能日趨完善,它對軍用飛機戰鬥力和壽命周期成本均産生了很大的影響。

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當流體流過物體的時候,由於流體本身的黏性,靠近物體表面的流體的速度爲零,而離開物體表面一定距離的流體的速度則不受黏性的影響,此處的流動可視為無黏性流體。而這些無黏性流體可視為由許多層疊起,各層之間有磨擦力,其情況類似將一疊撲克牌由上方施加一力,使其產生滑動則各層間有相對位移的現象,此流體稱為層流(Laminer layer)。

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