飛機力學超入門【圖解版】：讓飛機飛上天的航空基礎工程學

「本機現在在足摺岬上33,000英呎高空，大約是10,000公尺，以0.83馬赫，相當於音速的0.83倍的速度飛行中。」

坐飛機旅行時，我們常常會聽到這樣子的機內廣播。聽到廣播後，一邊找尋窗戶外面的足摺岬時，你是否也會思考著「0.83馬赫實際上到底是多快？」「要飛到0.83馬赫需要多少作用力？」「為什麼要比較飛行速度和聲音的速度？」「空氣中的阻力是多少？」「為什麼可以飛？」等等問題呢？

為了解答這種單純的疑問，並且讓讀者可以更直接的理解答案，筆者在撰寫本書時，將主軸放在以下兩個重點：

•只有看圖，也能理解

•將實際的數值套入公式計算

例如，重量為W的飛機往上爬升時，需將機首角度提高至γ度，該公式為：

（飛機重量的分力）＝W sin γ

假設W＝300噸，γ＝5°時

（飛機重量的分力）＝300×sin5°≒26噸

可以得知，與水平飛行比起來，飛機爬升時需要額外龐大的26噸作用力。為了實際計算，本書準備了可用電子試算表軟體運算的公式，像是大氣狀態變化、速度換算等，放在各章專欄之中。

第一章是航空力學概論。航空工程是一門研究如何生產飛機的學問，其中應用了飛行相關基礎科學知識。而航空力學則是研究航空工程中最基礎事務的學問。本章有更詳細的說明。

第二章的主角是空氣。飛機是利用空氣中潛在的作用力飛行。本章會解釋飛機飛往天空時空氣的作用力如何變化，並說明飛行速度及馬赫又是怎麼測量的。

第三章的主題是升力和阻力。升力和阻力都是飛機在空氣中飛行時所承受的作用力。升力是與飛行方向垂直的作用力，而只要是與飛行方向相反的作用力都統稱之為阻力。因此，只要改變飛機的飛行姿態和方向，升力和阻力作用的方向和大小都會改變。在本章會解說升力和阻力之間的關係以及變化方向。

第四章則會解釋主翼、尾翼、舵等等飛機部位的作用。例如主翼的功能不僅止於產生升力，也會一併說明別名安定板的水平尾翼和垂直尾翼，以及高升力裝置。

第五章主題為航空用引擎。從萊特兄弟的活塞式引擎開始，一直說明到噴射引擎，同時點出各式引擎的特徵。另外也會簡單說明螺旋槳是如何作用，如何產生作用力，它的特徵又是什麼。

第六章會解說飛機的性能。從起飛到降落的過程中，飛機需要什麼樣子的性能，這邊將以實例做具體解說。

本書雖稱作航空力學入門，但不過是將讀者帶到門前，抬頭仰望那道厚重的大門而已。筆者希望讀者在讀過本書之後，能夠對航空力學產生興趣。

最後，特別感謝非常照顧筆者的科學書籍編輯部石井顕一先生，謝謝。

2015年7月 中村寬治

「本機現在在足摺岬上33,000英呎高空，大約是10,000公尺，以0.83馬赫，相當於音速的0.83倍的速度飛行中。」

坐飛機旅行時，我們常常會聽到這樣子的機內廣播。聽到廣播後，一邊找尋窗戶外面的足摺岬時，你是否也會思考著「0.83馬赫實際上到底是多快？」「要飛到0.83馬赫需要多少作用力？」「為什麼要比較飛行速度和聲音的速度？」「空氣中的阻力是多少？」「為什麼可以飛？」等等問題呢？

為了解答這種單純的疑問，並且讓讀者可以更直接的理解答案，筆者在撰寫本書時，將主軸放在以下兩個重點：

•只有看圖，也能理解

•將實際的數值套...

作者序

第一章認識航空力學
1－01 航空力學是什麼？
1－02 空氣
1－03 飛行之力
1－04 飛機的形狀
1－05 飛機的引擎
1－06 飛機的三種運動方向
專欄－01 標準大氣的計算公式

第二章空氣力學
2－01 大氣的組成
2－02 大氣的標準值
2－03 大氣溫度
2－04 大氣密度
2－05 大氣壓力
2－06 動壓是什麼？
2－07 白努利的公式
2－08 如何利用動壓
2－09 空速計的刻度
2－10 什麼是空氣的速度
2－11 其他對空速度
2－12 什麼是馬赫
2－13 馬赫的測量方式
2－14 什麼是氣壓高度
2－15 大氣資料
專欄－02 速度的計算公式

第三章升力與阻力
3－01 什麼是升力
3－02 飛行需要翅膀
3－03 機翼與流線型
3－04 空氣流速與氣壓梯度
3－05 升力公式
3－06 攻角與升力係數
3－07 計算升力係數
3－08 機翼的種類
3－09 機翼的形狀
3－10 機翼面積與展弦比
3－11 升力分布
3－12 什麼是阻力
3－13 什麼是誘導阻力
3－14 誘導阻力係數
3－15 翼尖渦流與誘導阻力
3－16 什麼是邊界層
3－17 形狀阻力與摩擦阻力
3－18 長短比與阻力
3－19 造波阻力
3－20 後掠角與臨界馬赫
3－21 總阻力
專欄－03 升力公式

第四章飛行力學
4－01 靜穩定
4－02 上反角
4－03 後掠角的上反角效果
4－04 尾翼的後掠角
4－05 副翼（Aileron）
4－06 內側與外側的副翼
4－07 方向舵
4－08 升降舵
4－09 升降舵的配平
4－10 方向舵配平與副翼配平
4－11 調整片
4－12 什麼是高升力裝置
4－13 襟翼的種類
4－14 三角翼與高升力裝置
專欄－04 加速係數

第五章飛機與引擎
5－01 飛機與引擎的關係
5－02 活塞式引擎
5－03 活塞式引擎的控制方式
5－04 軸輸出
5－05 軸輸出與高度
5－06 渦輪螺旋槳
5－07 渦輪螺旋槳的軸輸出
5－08 渦輪噴射
5－09 渦輪扇
5－10 噴射引擎的控制方式
5－11 引擎的額定功率
5－12 推力的公式
5－13 推力與速度
5－14 推進效率
5－15 引擎與推進效率
5－16 螺旋槳動量理論
5－17 槳葉剖面理論
5－18 扭力的反作用力與陀螺進動
5－19 螺旋槳滑流的影響
5－20 P因子
專欄－05 壓力高度表的刻度

第六章飛行所需的性能
6－01 飛機的適航類別
6－02 單引擎飛機的起飛
6－03 運輸機的起飛
6－04 臨界發動機
6－05 起飛速度與起飛距離
6－06 起飛滑行中作用力之間的關係
6－07 起飛過程
6－08 爬升傾斜角與爬升角度、爬升率
6－09 上升時作用力變化
6－10 加速係數
6－11 上升速度的變化
6－12 最佳爬升傾斜角速度
6－13 最佳爬升率速度Vγ
6－14 巡航中作用力變化
6－15 續航率
6－16 續航率與速度
6－17 巡航方式
6－18 最佳高度
6－19 轉彎半徑
6－20 負載因數
6－21 下降
6－22 滑翔
6－23 下降率與飛行重量
6－24 準備著陸
6－25 平飄
6－26 著陸距離

參考文獻
索引

作者序

第一章認識航空力學
1－01 航空力學是什麼？
1－02 空氣
1－03 飛行之力
1－04 飛機的形狀
1－05 飛機的引擎
1－06 飛機的三種運動方向
專欄－01 標準大氣的計算公式

第二章空氣力學
2－01 大氣的組成
2－02 大氣的標準值
2－03 大氣溫度
2－04 大氣密度
2－05 大氣壓力
2－06 動壓是什麼？
2－07 白努利的公式
2－08 如何利用動壓
2－09 空速計的刻度
2－10 什麼是空氣的速度
2－11 其他對空速度
2－12 什麼是馬赫
2－13 馬赫的測量方式
2－14 什麼是氣壓高度
2－15 大氣資料
專欄－02 速度的計算公...