飛機設計與運作原理：探討空氣動力學、引擎與機體結構、航電系統及安全性設計

飛機如何在空中飛行？如何安全落地？
如何評估航程與續航力，在遇到緊急狀況時能不失去控制？
如何確保結構的安全性讓飛機在飛行中不會解體？ 全面探討飛機的飛行原理與構造：

第1章 機翼的升力
第2章 機身、機翼和尾翼的阻力
第3章 尾翼與副翼的配平與操縱
第4章 航空發動機
第5章 機體結構
第6章 航空電子系統
第7章 次系統與整機安全性設計
第8章 飛行表現

從飛機的升力與阻力、配平與操縱，到發動機的功能與性能的探討等，以淺顯易懂的圖解方式，透過作者親攝豐富彩圖，帶你認識飛機的結構設計與飛行原理。

本書特色

1、認識飛機的基礎知識、飛機設計的基礎原理：重達百噸的飛機為什麼會飛、機翼如何產生升力、翼剖面形狀如何設計、飛機如何穩住機身、飛機的安全性設計等，本書使用大量插圖，以容易理解的方式，解析飛機設計的基本原理及運作方式。本書的公式很少、內容不難，適合廣泛大眾閱讀，只要有國、高中的數學和物理基礎，就能看懂全部內容。
2、作者秉持對飛機的熱愛與研究，專注於民航機的設計，以更深入、更詳細的解說，透過近200張圖解與親攝照片，解說飛機構造、性能及飛航等，希望能以容易理解的方式帶領讀者認識飛機。

王皞天
出生於台南，成長於台北，大學和研究所皆就讀於國立成功大學航太系╱所，著有「戰鬥機設計與運作原理」一書。
除航空外，平時興趣為古典音樂、運動、外語。

審訂與推薦

專業審訂：賴維祥 國立成功大學航空太空工程學系教授

專文推薦：
賴維祥 國立成功大學航空太空工程學系教授
洪先祥 長榮航太科技股份有限公司協理

作者序

序，對我來說，是整本書中我唯一可以和大家聊聊這本書的故事、我對這本書的看法的機會。 2021年10月，我把自己在成功大學航太系所學的一些主要內容，彙整成一本精簡的Google電子書「飛行器簡介」，免費在網路上分享。其實，那本電子書只是由五、六篇文章構成，很概略地來淺析飛機設計所用到的基本原理。在一些FB粉專、YT頻道的友情推廣下，那本電子書獲得了很不錯的迴響，也讓後來的一切有了開始發展的機會。
約莫半年後，我決定把電子書的內容大幅擴增至五、六倍，並投稿到出版社。很感謝晨星出版社當時接受了我的投稿，讓我有這個機會，將自己研究飛機的一些心得分享給廣泛的社會大眾，而我的第一本書「戰鬥機設計與運作原理」，也在2022年12月出版。
戰鬥機那本書在甫出版之後就獲得廣大迴響（這也要感謝各網路平台的推廣），一個月就二刷，約半年後就三刷，還一度登上網路書店的排行榜；此外，我還很榮幸地受邀至一些YouTube、Podcast接受專訪，自己成立的FB粉專「航向三萬英呎」也愈來愈多朋友追蹤。
有了戰鬥機那本書的成功，讓我更有信心寫自己的第二本書，於是，在2023年8月，我就寫完這本專門介紹民用大型客機的書。其實我最初的想法，是寫一本介紹所有飛機的書籍，包含民航機、軍機。只不過，後來因為一些原因，決定改成先出一本戰鬥機的書，再出一本民航機的書。因此，與其說這是我的「第二本書」，倒不如看成是上一個計畫的延續。
在內容上，戰鬥機那本書比較像我原本電子書「飛行器簡介」的概念，除了戰鬥機以及一些戰鬥機才會用到的軍用科技之外，還有介紹一點民航機、直升機、無人機和飛彈，內容比較「廣」；相形之下，這本民航機的書，就真的只專注在民用大型客機的設計上，但也因此，內容可以講得更詳細、更深入、更清楚，內容比較「深」。
這本書的公式很少、內容不難，適合廣泛大眾閱讀，只要有國、高中的數學和物理基礎，就能看懂全部內容。惟對於第一次接觸航空的初學者而言，需要比較多的耐心，慢慢地看，邊看邊想，同時輔以圖片說明來理解，切勿在囫圇吞棗、一知半解的情況下往下讀更後面的內容，那樣只會愈看愈不懂，最後明明很簡單的東西都會被搞成好像很複雜一樣。
能和各位讀者分享我對飛機的一點研究，是我的榮幸。最後，特別感謝編輯吳雨書、美編黃偵瑜的努力，以及賴維祥老師、洪先祥協理、郭兆書老師、楊政衛學長，和在中華航空公司A350 機隊服務的、我的父親王敦義機長，在這個過程中的協助與指導，有諸位先進的不吝指正，才能成就這本書的出版。

審定及推薦序
推薦序
作者序
飛機各部件介紹

第1章 機翼的升力
1.1 升力的產生
1.2 機翼的翼剖面設計與翼面積
1.3 攻角
1.4 高升力裝置
1.5 機翼上下表面的壓力分布
1.6 機翼的立體設計
1.7 後掠角與超臨界翼剖面
1.8 升力、阻力和推力的關係

第2章 機身、機翼和尾翼的阻力
2.1 阻力的綜覽
2.2 壓力阻力
2.3 摩擦阻力
2.4 邊界層
2.5 寄生阻力
2.6 誘導阻力
2.7 飛機的總阻力
2.8 飛機氣動力外型總整理

第3章 尾翼與副翼的配平與操縱
3.1 座標系的建立
3.2 力與力矩
3.3 壓力中心與中性點
3.4 縱向的穩定與控制
3.5 側向的穩定與控制
3.6 方向的穩定與控制
3.7 橫向與方向控制的耦合
3.8 控制面的設計

第4章 航空發動機
4.1 發動機的功能
4.2 噴射引擎與推力
4.3 渦輪引擎的種類
4.4 渦輪引擎的構造總覽
4.5 壓縮器
4.6 燃燒室
4.7 渦輪
4.8 渦輪扇引擎
4.9 進氣道與排氣的設計
4.10 熱機循環的熱力學知識
4.11 作功的過程與熵的產生
4.12 布雷頓循環
4.13 影響引擎性能表現的關鍵指標
4.14 引擎的噪音控制
4.15 引擎性能總結

第5章 機體結構
5.1 結構設計的重要性
5.2 常見的力與力矩
5.3 飛機的結構概觀
5.4 機身的結構與受力
5.5 機翼與尾翼組的結構與受力
5.6 起落架的結構與受力
5.7 材料的選用
5.8 安全係數
5.9 機體壽命
5.10 結構設計的短板效應

第6章 航空電子系統
6.1 匯流排
6.2 飛控電腦
6.3 通訊系統
6.4 導航系統
6.5 大氣數據系統、攻角感測器與雷達高度計
6.6 氣象雷達
6.7 電力系統
6.8 駕駛艙電子系統
6.9 飛行管理系統

第7章 次系統與整機安全性設計
7.1 飛機不解體──結構的安全性
7.2 飛機不失去動力──發動機和燃油系統的安全性
7.3 飛機不失去控制（一）──飛控電腦的安全性
7.4 飛機不失去控制（二）──液壓系統的安全性
7.5 飛機各系統的運轉不會中斷──電力系統的安全性
7.6 人員能夠呼吸──艙壓和氧氣系統的安性
7.7 飛機能夠安全落地──起落架的安全性設計

第8章 飛行表現
8.1 水平等高度等速飛行
8.2 航程與續航力
8.3 水平加減速
8.4 爬升與下降
8.5 轉彎
8.6 起飛與降落

結語

第1章 機翼的升力

1.1 升力的產生
在開始研究飛機之前，我們必須先想一個很基本的問題：飛機（Aircraft）為什麼叫做「飛機」？它和長著翅膀的車子有什麼區別？這個問題的答案很簡單，飛機之所以叫做飛機，就是因為它會「飛」。
那第二個問題來了，為什麼飛機會飛？因為飛機的機翼（Wing）會產生「升力（Lift）」，當升力大於飛機本身所受的重力（Weight）時，它就會飛起來；當飛機已經在天空中開始飛行之後，只要升力的大小保持和重力的大小相等，它就可以維持等高度飛行。
所以，最核心也最根本的問題來了，機翼是如何產生升力的？
這個問題有很多種解釋，第一種解釋是氣流在流經機翼的過程中，機翼給氣流施了一股力，讓氣流除了向後流動外，還會稍微地向下流動（亦即，氣流在流經機翼後實際是往「後下方」的斜向流動），因此，根據牛頓第三運動定律──作用力與反作用力定律，機翼會得到一股來自氣流的反作用力，這股力會相反地把機翼往上抬，也就是所謂的升力。
還有第二種解釋，是根據「動量守恆」。
對於一個物體，它的動量（P）就是它的質量乘上它的速度；另外，如果這個物體受到一個外力，那外力的大小與該外力作用的時間的乘積，我們把它叫做衝量，不過它的物理意義和動量是完全相同的（即衝量和動量是完全一樣的東西，只是在不同場合我們習慣用不同的方式來稱呼），衝量可以簡單的理解為「該外力在其作用時間內所賦予該物體的動量」。
動量不會無中生有，也不會憑空消失。
對於氣流流過機翼的情形，空氣本身是有質量的，也就是說，流動中的空氣（氣流）是具有動量的。在氣流流經機翼之前，它是水平由前向後流動的，但在氣流流過機翼之後，它變成向後下方、斜下方流動，也就是說，氣流的速度向量（在垂直方向上）多了一個向下的分量──它的動量被改變了，流經機翼之後的氣流，在垂直方向上多出了一個向下的動量。
為什麼會這樣呢？這就要仔細看一下氣流流過機翼的過程。由於機翼是個有弧度的物體，它不是對稱的──其上表面的弧線較長、下表面的弧線較短，且它還時常以一個斜向上的角度迎接氣流（這稱為攻角，後面會詳述），因此，氣流的流線會在流經機翼上下表面的過程中被「向下偏折（Deflected Downward）」，也正是由於這個「偏折」的效應，使得氣流多了一個向下的動量。
根據動量守恆，在垂直方向上，氣流在獲得一個向下動量的同時，機翼會獲得一個相反的、向上的等大小的動量〔一個向上的動量和一個向下的動量，兩者大小相等、方向相反，使得整個系統（機翼和其周遭的空氣）內的動量保持守恆，符合「動量不會無中生有，也不會憑空消失」的原則〕，而這個動量，就是升力的來源。
前面提到過，力乘上作用時間就是衝量，也就是該外力給某個物體造成的動量增加╱減少量；那反過來說，如果我們知道某個物體所受的動量增加╱減少量（即衝量），我們再把它除上整個動量增加╱減少過程所經歷的時間，就可以等效得到該物體在動量改變的這段過程中，所受到的外力。以機翼的例子來說，機翼所獲得的「向上的動量」，除上「氣流從翼前緣流到翼後緣所經過的時間」，就是「升力（F）」。
第三種關於升力來源的解釋，就是「渦流」。
在流體力學（Fluid mechanics）和空氣動力學（Aerodynamics）的分析中，對於不可壓縮（Incompressible）、無黏滯性（Inviscid）的理想流體（這樣理想化的假設在現階段只探討外流場時是可接受的），基本的流場型態分為五種：均勻流（Uniform flow）、源流（Source flow）、匯流（Sink flow）、偶流（Doublet flow）、渦流（Vortex flow）。而這五種基本的流場型態還可以互相疊加，「等效地」衍伸出各種不同的流場型態。
舉例而言，如果把源流或匯流和渦流疊加在一起，就可以製造出漩渦的流場，只不過中心點一個是向外擴散、一個是向內吸收；如果把均勻流和偶流疊加在一起，就可以製造出流體流過一個圓球的流場；如果把均勻流、偶流和渦流疊加在一起，就可以製造出產生升力的圓球的流場。
那氣流流經機翼的流場是怎麼回事？對於薄機翼（即大部分機翼翼剖面的形狀）來說，氣流流經機翼、有點被向下偏折的情形，就好比沿著機翼的中弧線（平均表示翼剖面上下弧度的那條「機翼平均弧度線」）疊加了非常多的渦流；當飛機向前快速飛行時，機翼迎來的氣流（均勻流）碰上翼剖面的彎曲弧度所「等效造成」的渦流，就導致了一個會產生升力的流場，也就是實際氣流流過機翼時的流場情況。
由此可知，渦流就是升力的來源。機翼之所以能產生升力，就是因為它有曲度的外型設計，使得氣流在流經其上下表面時，會導致渦流的一個成分產生，進而使得流場對機翼來說，是「有升力」的。
實際在進行計算時，我們會把機翼在其中弧線上所有的渦流所製造的渦量（Vorticity）進行加總（數學上是以封閉積分來進行），得出的「渦量的總和」我們就稱為環量（Circulation），這個環量再乘上氣流流速與空氣密度，就能得到升力（這裡是指二維升力，即每單位翼展長度所製造的升力，因為我們目前討論的都還是二維流場）：
L’=ρ×V×Γ
二維升力=空氣密度×速度×環量
以上三種關於升力來源的解釋，可以說它們都對，不過更標準地說應該是──它們其實都是在講同一件事。從作用力與反作用力的觀點來說，機翼能獲得升力是因為「氣流給機翼施了一個反作用力」，這對應到第二種解釋中氣流因為被偏折而致其動量被改變、進而讓機翼獲得一個向上的動量，而單位時間（氣流流過機翼的時間）內機翼動量的變化，不就是升力？這不就剛好是所謂「氣流給機翼的反作用力」嗎？至於第三種解釋，大家可以注意到，那些「流線」代表的是流體在每個點的「速度方向」，空氣本身又有質量，那空氣如果照著流線那樣流動的話，不就很清楚地把氣流的動量給畫出來了嗎？所以說，這三種對於升力來源的解釋其實說到底都是互通的，是在講同一個物理現象，只不過深度和層次有所不同而已，比如第一種解釋相對含糊，只講到「力」；第二種解釋則把「質量」「速度」和「時間」三個元素分開來探討，讓我們能更仔細地分析；第三種解釋則是直接運用基本流的疊加概念，讓我們對機翼實際流場的情形有更深入的洞察。
這裡補充一下，氣流之所以會順著機翼上下表面的輪廓流動，而導致其流線在流經機翼的過程中被偏折，是因為空氣這種流體有黏滯性，當氣流流過某個物體（如機翼）時，會在該物體的表面形成邊界層氣流，這個邊界層氣流就會攀附於物體的表面流動，進而使邊界層外部的外流場區域的流線，也有順著物體表面輪廓流動的趨勢。關於流體的黏滯性和邊界層會在第二章第六節討論，在那之前的內容大多只關注外流場的情況，所以基本上會延用前面的無黏滯性流體的假設，特此說明。

1.4 高升力裝置
飛機在某些特殊的情況下需要更高的升力係數、更多的升力，比如起飛、降落這些飛行速度較低的時候，或者進行爬升、轉彎這些機動時。在這些情況下，提高攻角當然是個選擇，不過除了提高攻角外，飛機機翼的翼前緣可以向前下方伸展出縫翼（Slat），翼後緣可以向後下方伸展出襟翼（Flap），縫翼和襟翼合稱為高升力裝置，它們的使用，相當於是改變了翼剖面的形狀，讓整個翼剖面看起來更「彎曲」（也就是弧度更大），從而大幅提高升力係數。通常襟翼最多可以下放到30 度左右，縫翼則稍小於這個角度，具體情況要視機型而定，以空中巴士的飛機為例，它有0、1、2、3、FULL四種控制縫翼和襟翼的檔位，波音的飛機也一樣是有幾個控制縫翼和襟翼的檔位可供選擇。
當然，這樣的措施也會增加阻力，不過，通常使用高升力裝置（High Lift Devices）的時機，都是非常需要升力的場景，比如飛行速度較慢時，在這樣的情況下，阻力的增加相對較能接受，好處遠大於壞處。
至此，我們已知道有三個要素可以調整機翼的升力係數：翼剖面的構型、高升力裝置的使用與否與攻角的調控。升力係數乘上動壓與翼面積，就可以得到二維升力的大小。

第2章 機身、機翼和尾翼的阻力

2.1 阻力的綜覽
前面在討論升力時，研究的對象主要集中在機翼，這是因為，飛機的升力幾乎都由機翼提供，尤其大型客機這種設計更是如此。雖然機身（Fuselage）在具有一定攻角的情況下也會產生升力，水平尾翼產生的向下的力也會對飛機總升力造成影響，但從占比來看，機翼的設計還是影響升力大小的絕對性主要因素。
然而，在探討阻力時就不同了，機翼、機身與尾翼（Tail）都會造成阻力。機翼在產生升力時也會附帶造成阻力，機身造成的空氣動力以阻力為主，尾翼的作用原理和機翼類似，只不過它產生的力小很多，因為它只是拿來配平（穩住飛機）的，所以它產生的阻力又更小，其中水平尾翼因為要一直向下施力保持配平，所以產生的阻力較理想情況下無需作動的垂直尾翼大。
其實，廣義來說，一個物體在一個流場中所受的分布力，在本質上是一體的。一架飛機在氣流中所受的分布力，如果我們找出那堆分布力的合力並畫出其作用點（即壓力中心，Center of Pressure），那麼，在該點上我們只會看到一個力──空氣動力（Aerodynamic Force）。只不過，我們人為的定義，這個空氣動力的垂直分量就叫做升力，它的水平分量就叫做阻力（Drag）。也就是說，升力和阻力其實「系出同源」。

2.2 壓力阻力
一個物體在流場中和流體有相對運動時，該物體前方區域的流體會被擠壓而形成高壓區，而流體的流線由於不可能隨該物體的輪廓持續地跟隨攀附，所以在該物體中後方的某個位置（稱為分離點，Separation Point），流體的流線會自物體表面分離，這會導致那個物體後方的流場區域形成低壓區。物體前後表面的壓力差，再乘上物體的截面積，就會得到它所承受的壓力阻力（Pressure Drag）。
以飛機的機身來說，當空氣靜止，飛機高速飛行（即飛機高速衝向靜止的空氣）時，機首會擠壓前方的空氣，使機首前方形成高壓區；而氣流在流過機首以後，會順著機身的輪廓往機身後方流動，當氣流流到機身後方的某個位置，也就是分離點時，由於它不再能攀附著機身表面，會自機身表面分離，而氣流分離之後，它不會像之前那樣保持平順的層流（Laminar Flow），而會開始在機身後方形成紊亂的紊流（Turbulence Flow），導致機身後方形成一個低壓區。
機首前的高壓區，和機身後方的低壓區，這個壓力差作用在機身的截面上，就會對機身造成壓力阻力。
以上的說明不只針對機身，它對所有流線形物體所受的壓力阻力情形都適用，包含機翼和尾翼。那麼在設計上，要如何降低壓力阻力呢？首先，在機身前半部面對氣流的地方，為了緩和高壓區的產升及分布，讓高壓區的壓力盡可能平均地分布機首、不要在任何局部區域產生高壓的峰值，機首會設計成圓錐型，像一般的客機、潛水艇的設計；再來，為了讓流線盡最大可能地跟隨機身表面攀附、希望將氣流發生分離的分離點移到機身尾部愈後面愈好的地方，以最小化機身後部分離點之後產生的紊流流場、低壓區，機身都會設計成細長的流線形，普通的飛機機身、潛水艇也都是這樣細長的流線形設計。
生活中像這樣為了降低壓力阻力而設計成流線形的例子比比皆是，比如飛機的機身、機翼、船舶、潛水艇、高鐵等。那有沒有形狀非常不規則、壓力阻力非常大的部件呢？有的，比如說起落架。飛機的起落架明顯不是流線形，當飛機在起飛和降落的階段，起落架呈放下的狀態時，氣流流過起落架時就會產生強烈的紊流，造成（以起落架那樣大小的物體來說）很大的壓力阻力。

第7章 次系統與整機安全性設計

7.3 飛機不失去控制（一）──飛控電腦的安全性
第三，現在的飛機是由飛行控制電腦控制，飛行控制電腦和一般的電腦不同，它不需要執行很複雜的計算，但要非常可靠，不能出現計算錯誤或當機，所以它在設計上和我們平常熟悉的桌上型電腦是有些不同的。此外，飛行電腦至少有3 部作為備分，這是由於它獨特的排錯機制：如果飛控電腦只有一部，那壞掉就沒了；如果有兩部，那假設其中一部出現故障，它可能直接不輸出任何訊號（這是比較好的情況），但也可能輸出錯誤的訊號──如果我們看到兩部電腦輸出不同的訊號，則我們無法判別哪台是對的、哪台是錯的（亦即我們不知道故障的是哪台電腦），因此，我們需要第三部電腦來加入飛行控制率的計算並輸出訊號，並假設這三台電腦中只有一台壞掉、不會出現兩台同時壞掉的情況（機率極低），那我們就可以藉由比較這三台電腦的輸出，以投票表決的方式，決定最後輸出去控制飛機的訊號。