噴射客機的飛行原理：在飛行員的操縱下飛機怎麼運作？噴射客機系統的詳細圖解！

最新型客機B787、A350的操縱系統圖解！

◎為什麼飛機在1萬公尺的高空上可以自由調節機艙內溫度？
◎為什麼燃油和空氣的量，用「質量」而非「體積」來表示？
◎燃油如何從油箱流到引擎？
◎波音不採用「側桿」的理由
◎推力桿如何改變引擎輸出？
◎飛行速度是如何測量計算的？

本書將解釋噴射客機上有哪些類型的系統，並告訴你如何操作。

本書特色

1、了解噴射客機如何運作的視覺指南書！書內有豐富的圖片和插圖，解釋了噴射客機的外部和內部結構，例如飛行控制系統、自動飛行系統和空調系統。內容具一定專業度，但對飛機迷來說會是非常好的一本書，當乘坐飛機時，能了解其工作原理及內部構造將會是非常有趣的一件事，書內還比較了波音 727、747 和 787 的案例。
2、作者是著名航空解說家，以實際參與過航線任務的角度，解說飛機構造、性能及飛航等工作並持續不斷寫作，本書針對飛機相關主題，參考作者自身的筆記書寫而成。本書的主題是噴射客機的工作原理，書籍重點是飛行員操作控制面板時，噴射客機的系統如何運作。例如：移動操縱桿或側桿，指令如何傳遞到機身？在駕駛艙內操作自動駕駛時，飛機會發生什麼事？單側引擎停止運作時，如何解決燃油量的差異？另外，在本書中，你也能了解噴射客機的基本知識及各部位名稱及功能！
3、作者出版的《跟著飛行員一起開飛機》、《飛機的構造與飛行原理(全彩修訂版)》累計均已銷售破兩萬本，是航空迷必收書籍！

中村寬治
航空解說家。出生於神奈川縣橫濱市，畢業於早稻田大學。投身全日空航空公司工作30多年，擔任波音727和747的飛航工程師，負責日本國內主要城市、以及全球10餘國、20多個城市的航線任務，總飛行時數為14,807小時33分。目前運用其航線上的飛行經驗，以實際參與過航線任務的角度，撰寫及解釋飛機構造、性能及飛航操作。主要著作有《飛行員在駕駛艙裡做什麼？》、《噴射機引擎的科學》、《跟著飛行員一起開飛機》、《飛機的構造與飛行原理(全彩修訂版)》、《飛機力學超入門》等。

作者序

本書的主題是噴射客機的工作原理，特指系統。書籍重點是飛行員操作控制面板（配有儀表、開關等的控制面板）時，噴射客機的系統如何運作。例如：
◎移動操縱桿或側桿，指令如何傳遞到機身？
◎在駕駛艙內操作自動駕駛時，飛機會發生什麼事？
◎單側引擎停止運作時，如何解決燃油量的差異？
等。此外，現代的面板操控已經從類比轉為數位控制為主流。因此，本書主題也包含「控制面板有哪些改變」和「控制面板的操作程序有哪些改變」。 早期噴射客機的系統控制是「手動操作」。例如「切換電源時，必須用拇指和食指夾住開關，用小指調節頻率」等，在某些情況下需要專業技巧。而如今，大多數系統無需開關或旋鈕，均可以自動控制。
然而，在這個自動控制成為主流的時代，筆者認為還是要讓大家了解，曾經有這段需要專業技巧的年代，因此提筆而書。
本書針對飛機相關主題，參考筆者自身的筆記書寫而成。因此有關系統上的限制數值是當初筆者服務時的資料。這些數據可能會因後續修改而改變，但筆者認為「為什麼必須有所限制？」等根本問題是相同的，因此，直接使用當初服務時的數據資料。
本書中討論的噴射客機系統，只是這個系統的一小部分。但筆者由衷希望書中內容能多少為「噴射客機的系統是什麼？」解惑。
最後，筆者要感謝在執筆過程中提供指導的前輩們，以及在出版過程中大力相助的視覺圖書編輯部石井顯一先生。藉此前言，向各位表達誠摯的感謝。

序

第1章 歡迎來到「噴射客機系統」的世界
1-1 噴射客機的基本知識
1-1-1 飛機形狀
1-1-2 飛機各部名稱
1-1-3 翼型（機翼橫切面）
1-2 飛機飛行方向
1-2-1 機翼與三個方向的關係
1-3 飛行中的力量平衡
1-3-1 巡航時的力量平衡
1-3-2 上升過程中的力平衡
1-3-3 下降過程中的力平衡
1-4 國際標準大氣
1-4-1 什麼是國際標準大氣？
專欄1 飛機與積雨雲

第2章 操縱系統（飛控電腦）
2-1 襟翼（增升裝置）
2-1-1 襟翼的作用
2-1-2 襟翼的移動原理
2-1-3 襟翼操作步驟
2-2 副翼（輔助翼）
2-2-1 副翼的作用
2-2-2 副翼的移動原理～以波音727為例
2-2-3 副翼的移動原理～以波音747為例
2-3 水平尾翼與升降舵（Elevator）
2-3-1 水平尾翼與升降舵的作用
2-3-2 水平尾翼與升降舵的移動原理～以波音747為例
2-4 方向舵（Rudder）
2-4-1 方向舵的作用
2-4-2 方向舵的移動原理～以波音747為例
2-5 線傳飛控系統（空中巴士及波音客機）
2-5-1 線傳飛控系統的優點
2-5-2 操作限制範圍保護系統～以波音787為例
專欄2 操縱桿與側桿

第3章 自動飛行系統（Auto Flight System）
3-1 自動駕駛儀
3-1-1 自動駕駛儀的作用
3-1-2 自動駕駛儀的運作原理～以波音727為例
3-1-3 自動駕駛儀的運作原理～以波音747-200為例
3-1-4 自動駕駛儀的運作原理～以波音787為例
3-1-5 自動駕駛儀的運作原理～以空中巴士A350為例
3-2 導航系統
3-2-1 導航類型
3-2-2 波音727的導航系統
3-2-3 波音747-200的導航系統
3-2-4 波音787的導航系統
3-2-5 慣性導航系統的運作原理
專欄3 過去的導航－無線電導航、歐米茄導航、ISS、INS

第 4 章 飛行儀表／顯示系統
4-1 了解飛行狀態的五種儀表
4-1-1 了解飛行狀態的五種儀表是什麼？
4-1-2 噴射客機儀表
4-2 速度表
4-2-1 速度計算的依據是什麼？
4-2-2 如何測量動壓
4-2-3 為什麼需要馬赫表？
4-2-4 升降指示器（垂直速度表）
4-3 高度表
4-3-1 高度表的運作原理
4-3-2 什麼是高度表撥定值
4-4 大氣數據系統
4-4-1 波音727和747的大氣數據系統
4-4-2 ADRS（大氣數據基準系統）
4-4-3 指示空速、真實空速和馬赫數之間的關係
4-5 航向指示器
4-5-1 磁北和真北
4-5-2 定向陀螺儀（DG）
4-5-3 定向陀螺儀和磁羅盤
4-5-4 波音747航向指示系統
4-6 姿態儀
4-6-1 垂直陀螺儀（VG）與姿態儀
4-7 水平狀態指示器
4-7-1 了解水平狀態的儀表（波音747）
4-8 綜合顯示系統
4-8-1 顯示系統（波音787）
4-8-2 PFD、ND、EICAS
專欄4 飛機與風

第5章 噴射引擎的運作原理與控制系統
5-1 噴射引擎
5-1-1 什麼是噴射引擎？
5-1-2 波音727引擎的操控原理
5-1-3 波音747引擎的操控原理
5-1-4 波音787引擎的操控原理
5-2 燃油供給系統
5-2-1 油箱
5-2-2 波音747的燃油供應系統
5-2-3 波音787的燃油供應系統
5-3 引擎顯示儀表
5-3-1 引擎顯示儀表的作用
5-3-2 N2表
5-3-3 N1表
5-3-4 燃油流量表
5-3-5 EGT（排氣溫度）表
專欄5 時刻表上所需時間的過去與現在

第6章 電力系統
6-1 發電機
6-1-1 直流電和交流電
6-1-2 三相交流發電機
6-1-3 波音727的電力控制系統
6-1-4 波音747的電力控制系統
6-1-5 波音787的電力控制系統
6-1-6 空中巴士A350的電力系統
專欄6 所有發電機故障（所有發電機停止）

第7章 液壓系統
7-1 液壓系統的運作原理
7-1-1 波音727的液壓系統
7-1-2 波音747的液壓系統
7-1-3 波音787的液壓系統
7-1-4 空中巴士A350的液壓系統
專欄7 「簡單的系統」卻有「複雜的操作流程」

第8章 空氣系統
8-1 空調系統
8-1-1 蒸汽循環和空氣循環
8-1-2 波音727的空調系統
8-1-3 波音747的空調系統
8-1-4 波音787的空調系統
8-1-5 空中巴士A350的空調系統
8-1-6 增壓系統
專欄8 共享資訊以提升操作流程效率

結語
索引

第1章 歡迎來到「噴射客機系統」的世界
首先，我們來了解一下噴射客機的各部位名稱以及大氣層的結構等基本知識。

1-1 噴射客機的基本知識
飛機基本構造由機翼、機身及尾翼組成。以下讓我們來確認各部位名稱及功能。

1-1-1 飛機形狀
在李奧納多．達文西（Leonardo da Vinci）活躍的15世紀至16世紀，人們相信人類可以像鳥一樣透過拍打翅膀來飛翔。此後，對飛行的研究持續發展，至1804年，英國人喬治．克萊（George Cayley）駕駛了一架由主翼、機身及尾翼組成的模型滑翔機，這就是現今飛機的原型。大約100年後，在1903年，萊特兄弟（Wright brothers）成功實現了世上首次的飛機動力飛行。
動力飛行之所以成功，是因為飛機靠著引擎推動前進，讓空氣通過固定的機翼，藉此產生將機體支撐在空中的升力。
這個方式並非模仿鳥類透過拍打翅膀同時獲得升力及推力，而是將作用分工，透過固定機翼支撐飛機、透過引擎推動飛機前進。

1-1-2 飛機各部名稱
如圖1-1所示，飛機有主翼、水平尾翼及垂直尾翼3個機翼，每個機翼都有一個控制面。移動這些機翼的方式有人力操作（手動控制系統，Manual control system）及動力操作（電力控制系統，Power control system）兩種。人力操作是透過電纜（Cable）直接操控控制面。而動力操作則有兩種方式：
○1透過電纜對控制面驅動裝置進行機械控制
○2透過電線（Wire）對控制面驅動裝置進行電子控制

1-1-3 翼型（機翼橫切面）
機翼的橫切面稱為翼型。圖1-2標示了翼型的基本組件名稱。翼型最前端為前緣，最後端為後緣，連接後緣及前緣的直線則是翼弦，其長度稱為翼弦長。
翼型上部稱為上翼面，下部為下翼面，兩側內接圓心所畫出的曲線稱為弧線（Camber line）。弧線與翼弦之間的距離則稱為弧度。弧度在上翼面呈現「翹曲」，這樣的翹曲是有效產生升力的設計。

1-2 飛機飛行方向
在三次元空間中飛行的飛機會在三個方向上搖擺（運動）。讓我們參考圖1-3來了解一下運動狀態。

1-2-1 機翼與三個方向的關係
首先，圍繞垂直軸的旋轉運動稱為偏航（Yawing）。例如，當垂直尾翼的左側翼面產生升力時，飛機的機首會向右旋轉。
接著，圍繞左右軸的旋轉運動稱為俯仰（Pitching）。例如，當水平尾翼的向下升力增加時會造成旋轉運動，使飛機的機首向上。
最後，圍繞前後軸旋轉的運動稱為滾轉（Rolling）。例如，如果右翼的升力小於左翼的升力，飛機就會向右傾斜產生滾轉。

專欄1 飛機與積雨雲
從日本到澳洲、新加坡等的南方航線必須經過赤道附近的空域，稱為間熱帶輻合區（ITCZ）。這些南部航線多為夜間飛行，因此需仰賴氣象雷達或月光才能穿越該區域。
ITCZ 的對流活動頻繁，不穩定的熱帶氣團上升並形成積雨雲。由於赤道附近的對流層頂較高，一些積雨雲群的雲頂高度可達18,000m（60,000英尺）。當積雨雲群輪流發生閃電時，空中的全貌將得以展現，但這只是一瞬間，而且無法確定雲頂的高度。即使已知雲頂高度，因為飛機的最大飛行高度約為13,000m（43,000英尺），也不可能在其上方飛行。
在活躍的積雨雲中，由上升氣流或下降氣流引起的強烈亂流，可能會讓飛機無法控制地嚴重搖晃、帶電、遭遇雷擊、大雨、冰雹和結冰。因此飛行時，必須一邊確認氣象雷達回波，考慮繞道或在最壞情況下，穿過較不活躍的雲層。即使在較不活躍的雲層中，也須留意強烈搖晃。
此外，飛機帶電可能會對無線電設備產生噪音，導致擋風玻璃上出現小閃電等發光現象，機首附近會發出藍紫色的光，讓駕駛艙充滿緊張的氣氛。
如果飛機遭遇雷擊，駕駛艙內發生的閃光可能會蒙蔽眼睛，導致駕駛幾秒鐘內看不到儀表。因此，如果發生帶電現象，即使在夜間飛行，駕駛艙內的所有室內照明燈就會透過風雨燈※一鍵全開。
當飛機穿過積雨雲時，擋風玻璃上映出滿天星空，駕駛艙內則充滿如釋重負的感覺。而且儘管天空的星星不亮，那能夠讓人清楚看見積雨雲全貌的明亮滿月，與只能依靠氣象雷達的黑夜相比，差距之大可謂天壤之別。

第2章 操縱系統（飛控電腦）
除了副翼（Aileron）、方向舵（Rudder）和升降舵（Elevator）這三個控制面外，噴射客機還配備了襟翼（Flap）、擾流板（Spoiler）、尾翼配平片（Stabilizer trim）等。讓我們來看看這些是什麼樣的設備。

2-1 襟翼（增升裝置）
當飛機要起飛，靠自身動力向跑道滑行時，從客艙的窗戶觀看，就能看到在主翼後緣「嗡」地一聲伸出一個小機翼（圖2-1）。這就是為起飛而展開的襟翼。襟翼是當飛機在起飛、進場及著陸等需要低速飛行的狀態下增加升力的設備。

2-1-1 襟翼的作用
那麼，為什麼降低襟翼會增加升力呢？為了找出原因，我們要先說明升力。
空氣能夠發揮巨大的力量。例如風速為50m的暴風就有足夠的力量吹掉屋頂。此力是由動壓產生，相當於空氣的動能。飛機就是充分利用這種動壓來產生升力，由於飛機飛行速度是50m風速的2倍以上，也難怪此力可以支撐重量超過200噸的飛機。
機翼與空氣的關係如圖2-2所示。襟翼可以說是一種增加空氣運動量以增加升力的設備。降低襟翼就可使升力增加約1.5倍。
然而，僅靠襟翼不可能讓升力變1.5倍，還需要增加機翼切入空氣的角度，更正確地說是攻角，也就是「機翼前緣和後緣的連線」與「氣流」之間的角度。
根據機型不同，機首向上約15°的姿勢稱為離地升空（漂浮：輪子離開跑道並起飛）。另一方面，在著陸過程中，因應3°的下降路徑，飛機會以機首向上1～2°的姿勢，維持4～5°的攻角朝跑道下降進場。起飛和降落時攻角的差異是由於襟翼放下角度不同所造成的。

2-1-2 襟翼的移動原理
圖2-3就是波音747的三重開縫襟翼。它最初是為了讓波音727能夠在跑道長度小於2000m的機場起降而開發的，字面意思就是「三個翼面之間有縫隙的襟翼」。以下將參考此圖檢查襟翼操作。
由飛行員操作的襟翼桿的位置透過電纜（金屬電纜）傳送到控制閥（Control valve）。控制閥打開閥門並將液壓油輸送到驅動裝置（Drive unit）。驅動裝置透過扭力管（Torque tube）使螺旋千斤頂（Screw jack）旋轉，讓襟翼開始動作。當安裝在襟翼上的感測器偵測到襟翼與操縱桿的位置相符時，就會向控制閥發送訊號停止輸送液壓油。
此外，波音747的特徵是，前緣襟翼和前緣縫翼不是由液壓設備操作，而是由從引擎抽出的壓縮空氣驅動的氣動馬達操作，當翼面從平坦收納狀態展開時，會變成彎曲的可變翼弧縫翼。
雖然三重開縫襟翼具有縮短起飛和著陸距離的巨大優勢，但由於驅動系統複雜且笨重，支撐結構龐大，因此缺點是在高速時阻力會增加。由於現在要求節約能源，引擎性能也提高了，加上機場維護也已進步，由單翼面構成的輕量且簡單的開縫襟翼現已成為主流。
圖2-4是波音787的開縫襟翼。如圖所示，襟翼、擾流板、襟副翼一體形成反曲，可提供較大的升力。
由飛行員操作的襟翼桿的位置轉換成電訊號並發送到執行控制電子設備（ACE，Actuator Control Electronics）和主要飛行電腦（PFC，Primary Flight Computer）。當PFC確定襟翼位置適合飛行速度、高度等飛行條件時，ACE就會驅動旋轉液壓執行器，展開襟翼至襟翼桿操縱位置。