飛機的構造與飛行原理（全彩修訂版）

許多人都欣賞噴射客機在藍天中優雅飛行的樣子，
然而，重達好幾百噸的飛機是如何在天空中飛行的呢？

◎民航機為什麼不能在空中翻轉？
◎噴射引擎是什麼樣的結構？
◎超音速客機的障礙是什麼？
◎緊急事故發生時的應變措施為何？
◎降落需要多長的距離？
◎如何在嚴寒又低壓的高空中保持機身完整？

從飛機最基本的飛行原理、引擎與機身的結構、力學與飛行角度的影響、升力與阻力之間的關係，到通訊設備以及操縱舵面的結構等，以容易理解的實例、淺顯易懂的圖解方式，透過實際的公式計算，徹底解開隱藏在飛機中的飛行祕密。

本書特色

1、了解關於飛機你想知道的一切！重達百噸的飛機如何飛行、噴射發動機如何運作、飛機在高空極寒低壓下如何保持穩定等，本書使用大量插圖，以容易理解的實例，從基礎開始解釋飛機的運作原理。不只是飛機的飛行力學、客機的種類、飛機的各個構造與功能、飛行系統與引擎、飛行狀況的應對，到安全機制的解密，解答關於飛機你想知道的各種問題。
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，希望能以容易理解的方式將關於飛機的一切傳達給讀者。

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。投身於全日空航空公司30多年，擔任波音727、747的飛航工程師，負責日本國內主要都市、以及世界10餘國、20多個都市的航線任務，總飛行時間為14,807小時33分。現在運用其航線上的飛行經驗，以實際參與過航線任務的角度，從事解說飛機構造、性能及飛航等工作及從事寫作。主要著作有《飛機的構造與飛行原理》《飛機力學超入門》《噴射機引擎的科學》《跟著飛行員一起開飛機》《飛機為什麼會飛》（晨星出版）、《噴射引擎（應用篇）》《飛行物語》（日本航空技術協會）、《有趣易懂的飛機構造》（日本文藝社）等。

作者序

重拾對於飛機的旺盛求知欲

「民航機可以在空中翻轉嗎？」「噴射引擎是如何出力的？」「從飛機看窗外明明都是雲霧，為什麼還有辦法降落呢？」「為什麼在起飛和降落時，必須把椅背豎直和桌子歸位呢？」……在搭乘飛機的同時，你是不是也會有這樣的疑惑呢？要不要和我們一起動動腦，想一下這些看似單純問題的解答呢？
在孩提時，我們常常會追著大人問「為什麼？為什麼？」問得大人暈頭轉向，但在我們慢慢長大之後，卻不知不覺地也漸漸遺忘了當時旺盛的求知欲。本書將以這些已被遺忘的「為什麼？為什麼？」為基礎，解答關於飛機的種種問題。
為了解答這些疑問，本書將以底下幾項為重點進行解說：
˙即使犧牲嚴密性，也要讓大家能夠用感受的方式理解。
˙為了以「百聞不如一見」的方式學習，將以圖解方式說明。
˙不只提供計算公式，更讓大家藉由實際的數值了解狀況。
˙讓大家從身邊的例子開始思考。
首先在第1章中，將提出升力和浮力的差別，並且以為什麼會產生升力的原因為研究題材。關於升力的發生原因有很多種說法，但在本書中將單純地把升力當作是空氣的反作用力來進行解說。我會想這麼做的原因，是因為比起大量地堆疊專業術語，如果能讓大家用直覺的方式來理解相關的問題更顯重要。
第2章將會提到飛行器和飛機的差異，以及調查沒有單引擎飛機的理由等。此外，在本章中探討音速和飛機的關係也是其中相當重要的題目之一。
第3章則進一步說明飛機的構造及系統。為什麼說是飛機的系統呢？這是因為飛機裡有相當多裝置都是有系統地相互連接，才使得飛機能夠在天空中飛行。這個為了使飛機能夠飛上天的系統，只要有一個裝置故障就會連帶影響整體運作，所以每個裝置都有好幾層的備用模式。雖然說了解這些備用模式的架構也是相當有趣，但在此，主要還是將重點放在設置這些備用模式的理念上。
接著，在第4章將從噴射引擎是如何發出動力的、它的大小大概是如何來進行解說，並盡可能地用接近實際數值的東西來做運算，讓大家能夠感受到它力量的大小。
第5章則從有在空中航行經驗的人的觀點，講解有關飛機運行的相關話題。在飛機實際飛行中，了解實際數值也是很重要的。因此，為了讓大家能夠實際體會到飛機在飛行時的力量關係，在本書中不單單只提出公式，而是利用實際數值將其力量關係運算出來，讓大家理解飛行時各自不同的力量大小。
第6章的主要內容是針對飛機的安全對策進行說明。每架飛機都有根據最糟情況所設置的緊急系統，才能安心地在天空航行著。因此，在搭飛機時總有很多注意事項，或許大家會覺得搭飛機比搭其他交通工具還要麻煩，但是從風險管理的觀點來看，這些規定都是相當重要的。
當你讀完本書，下次再搭飛機時，如果能想起本書的內容並發出「原來如此！」的共鳴，那就是本書達成目的了。
飛機的工作就是在天空中飛行，為了安全且確實地實踐這份工作，需要相當多的事前準備。包括調查準備事項，以及探討其成因，其實都相當有趣。我衷心期盼這本書能夠成為各位讀者愛上飛機、並進而思考飛機大小事的起點。

序 重拾對於飛機的旺盛求知欲

第1章 何謂噴射客機？
1-01 仙女的羽衣與伊卡洛斯的翅膀
1-02 鳥為什麼能在天空中飛翔？
1-03 雞為什麼不會飛？
1-04 企鵝也會「飛」！
1-05 世界上第一位飛上天的人是誰？
1-06 升力不只有飛翔的能力而已
1-07 最適合飛機飛行的高度在平流層
1-08 國際標準大氣是大氣的「標準」
1-09 空氣驚人的力量！
1-10 機翼承受從空氣而來的反作用力
1-11 升力與阻力的公式
1-12 飛機在飛行當中的力量關係為何？
1-13 飛機是如何往前飛行的呢？
1-14 飛機需要多大的力量才能飛行？
專欄1 美麗又危險的平流層

第2章 噴射客機的種類
2-01 航空器和飛機之間的差異
2-02 民航機為什麼不能在空中翻轉呢？
2-03 飛機各個構造的作用
2-04 機翼形狀五花八門的原因
2-05 如果利用音速飛行就會產生震波！
2-06 現在之所以會沒有超音速客機的原因
2-07 在客機之中沒有單引擎飛機的理由
2-08 螺旋槳飛機和噴射機的差別
2-09 馬力與推力的差別
專欄2 飛機不是以正北為基準而是以磁北為基準

第3章 為了翱翔天際的必備系統
3-01 飛機上的駕駛艙是什麼模樣？
3-02 飛機飛行的三個方向
3-03 操縱桿與飛機動作的關係
3-04 掌控飛機飛行狀態的飛行儀器
3-05 飛機要如何確定自己的位置呢？
3-06 不斷進化的自動駕駛
3-07 如何測量飛機的飛行速度？
3-08 飛機飛行的高度為何？
3-09 著陸系統的構造
3-10 安全著陸的必備裝置
3-11 在飛機起降時發揮作用的襟翼
3-12 用油壓裝置遠端操控舵面的方式
3-13 冷氣與加壓之間的關係
3-14 輔助動力系統的功能
3-15 保護飛機的各式防覆冰系統
3-16 將空氣的力量用到極限
3-17 輔助飛行的各種通訊設備
3-18 如何供給飛機所需的電力？
3-19 飛機的燃料槽在哪裡？
專欄3 黑夜和月夜差很大！

第4章 噴射引擎是什麼？
4-01 何謂燃氣渦輪引擎？
4-02 噴射引擎的登場
4-03 噴射引擎的推力是什麼？
4-04 能有效率地產生動能的方法是？
4-05 逐漸成為主流的渦輪扇葉引擎
4-06 扇葉的功用是？
4-07 扇葉的轉動數大概是多少？
4-08 引擎的動力產量為何？
4-09 用手操控的飛機加速器
4-10 如何增加輸出功率？
4-11 什麼是引擎的反向噴射？
4-12 噴射引擎的飛行儀器有哪些？
4-13 掌控推力大小的飛行儀器
4-14 啟動引擎的方法
4-15 引擎產生的四種力量
專欄4 什麼是飛機的「Check List」（檢查表）

第5章 噴射客機的航行狀況
5-01 飛機運作之前哨站
5-02 飛機起飛前的準備情形
5-03 飛機的飛行計畫是什麼？
5-04 由精密的計算算出飛機能搭載的燃料量
5-05 出發和抵達目的的時間是怎麼算出來的？
5-06 為什麼要點亮紅色的燈光呢？
5-07 飛機利用各種推力在天空中飛行
5-08 飛機的起飛速度有多快？
5-09 飛機需要多長的距離才能起飛？
5-10 飛機起飛時才會使用到的襟翼的祕密
5-11 飛機不是靠升力提高高度的！
5-12 飛機是利用什麼來提升高度的呢？
5-13 客機能夠飛多高？
5-14 儀器的速度與空氣的速度
5-15 對地速度是由風速來計算
5-16 稍微有點恐怖的馬赫世界
5-17 正確測量飛行高度的方法
5-18 如何決定巡航高度？
5-19 巡航的主流是「經濟巡航」
5-20 飛機用多大的力量巡航呢？
5-21 如果飛機重量愈重下降的速度會愈慢嗎？
5-22 何謂飛機下降中的閒置力？
5-23 加壓不是指把壓力增加到1大氣壓
5-24 飛機在盤旋時重量最重！
5-25 即使在濃霧中飛機還能找到跑道的原因
5-26 客機的降落距離大概是多少？
專欄5 各種種類的簡報類型

第6章 噴射客機的安全政策
6-01 在飛機上為什麼要關閉行動電話？
6-02 中止啟動的引擎時
6-03 如果起飛時引擎故障怎麼辦？
6-04 在起飛時一定要將桌子歸位的原因
6-05 緊急時可以排出燃料減輕機身重量
6-06 引擎故障的代表事例為何？
6-07 保護機身的各式防火措施
6-08 不可或缺的防雪、防冰策略
6-09 如果機艙內急速減壓該怎麼辦？
6-10 該前進還是該回頭？由時間決定
6-11 即使在太平洋正中央也不會迷路！
6-12 在太平洋正中央發生危機！
6-13 防止衝撞發生的策略是？
6-14 降落與否的判斷基準
6-15 保障飛行安全的「CRM」
6-16 飛航組員的危機處理訓練「LOFT」
6-17 定期檢查才是確保安全的良方

第1章 何謂噴射客機？

1-07 最適合飛機飛行的高度在平流層
不論是在天空中飛的飛機還是鳥類，或是在水面航行的帆船，都是因為地球有大氣的存在才得以維持那樣的狀態。所謂的大氣指的是受到地球引力影響，包圍在地球外圍的一層氣體，大氣層的厚度（從地平面算起的高度）大約有600km。但是，一般可以看到的不管是流星閃耀或者是劃過天際進入大氣層時，都發生在從地面往上算的85～120km的高度中。在大氣層中，主要的大氣成分包含78％的氮氣、21％的氧氣，其他氣體則占1％，這樣的比例是不會變化的。因此也有人稱這些在100km左右高度之內的空氣為大氣（或是中層大氣）。
飛機的飛行高度再高也不會超過25km，就連在2003年停止運行的超音速協和客機也只有18km左右的高度而已。也就是說如果將地球比喻成一顆半徑64cm的皮球的話，這樣的距離只有離開球面的1～2mm而已。因此，在這裡將針對大氣的下層部分進行解說。此外，也將高度單位由km改為m以便進行說明。位於大氣最下層的對流層就如同其字面意義，是具有空氣對流的一層。由於此層內的對流旺盛產生了許多的雲，所以會發生降雨或降雪等各種天候現象。此外，氣溫也會隨著高度升高而下降。
接著進入平流層後，在11,000～25,000m之內為恆溫，因而成為安定的大氣。因此，平流層是最適合飛機飛行的高度。而夾在對流層和平流層之間的交界區域則稱為「層介面」，層介面的高度會隨著氣溫的高低而有所變化。例如，日本夏季的層介面大概是15,000m，而冬季的高度則會降低到9,000m。實際上，在層介面較高的夏季時刻，雲層多出現在較高的位置，所以飛機無法從雲層上方通過，而在下方迂迴前進的情形就會增加。

1-13 飛機是如何往前飛行的呢？
汽車的前進其實是利用引擎的力量使輪胎運轉，而運轉中的輪胎，則在利用不斷摩擦著道路所產生的反作用往前行。如同把車開到泥濘中，車輪會將泥水往後方噴去的狀況一樣，輪胎之所以能夠不斷摩擦路面得到往前跑的力量，完全是因為摩擦力的關係。
飛機的引擎也和汽車的狀況相同，都是利用反作用力前進，但和汽車不同的是，飛機沒有輪胎和道路之間的摩擦前進關係。雖然空氣和飛機之間互有摩擦關係，但是只是產生了防礙飛機前進的阻力，還沒有到可以成為前進推力的程度。因此飛機就完全不仰賴摩擦力，反而利用快速將大量空氣往後方送的方式，得到前進所需的推進力。
這個原理就跟氣球在天空中飛是相同的，但是它不像氣球是利用噴出儲存在內部空氣的方式往上飛。像氣球一樣使用貯藏的空氣飛翔的這種方法，即使在真空中也能飛，但是一旦空氣耗盡後就飛不起來了，而且在真空中根本不會產生升力，所以這不在討論的範圍內。於是可以知道，飛機不是像氣球一樣是利用貯藏空氣的方式前進，而是利用從前方吸取大量空氣然後往後噴射的方式產生推進力。若用英文來表示噴射這個詞的話就是JET，像這樣的噴射引擎，英文就是「Jet Engine」。
但是飛機的狀況並不是加大升力就會往上升、降低升力飛機就會往下降，因為升力和飛機的重量一直都是在平衡的狀態下才能在天空中飛行。而飛機若要上升或下降就是要增大推進力或減低推進力了。也就是說，飛機一定要保持好上下的關係，才能利用和兩旁的連帶作用來上升或下降。

第2章 噴射客機的種類

2-02 民航機為什麼不能在空中翻轉呢？
我們都知道如果客機在空中翻轉，在內部乘坐的旅客一定會感到不舒服，因此在這一節中，將針對被製造出的客機其堅固度以及強度來進行討論。
首先，先來想一下當客機在空中翻轉時會增加多少G值。所謂G值，指的是飛機在空中突然轉換方向或降落時所產生的，將慣性力以重力加速度的倍數表現出來的數值，也稱為「負載因數」。假設飛機以時速630km的速度做了一個半徑1,000m的翻轉時，客機會受到離心力等力量影響，產生最大4G力量的作用力。若此客機的重量是200噸，它在翻轉時就會產生機身重量的4倍，也就是800噸的作用力，等於客機此時呈現的重量會變成800噸重。由於機翼為了支撐這800噸的作用力，必須產生等同800噸的升力，因此可知，此時機翼的負擔相當沉重。
但是，客機所能承受G值的最大限度（稱為負載因數上限）是2.5G。如果加上考慮安全因素的1.5倍，最後的終極負載因數上限也只有2.5G×1.5＝3.75G。因此，從客機本身的強度問題來說，要它承受飛機在翻轉最後產生的4G作用力，可說是相當困難的。順帶一提，即使客機真的能夠在空中翻轉，也會需要一種避免全體乘客撞擊受傷，必須停留在同一處的耐G套裝才有辦法。
當然，雖然客機根本不需要在天空中翻轉的能力，但是我們還是需要能夠翻轉的飛機。因此，根據耐航類別可以將飛機分成：特技A、實用U、普通N和運輸T等類型，而客機是屬於T類型。此外，不只是飛機有分耐航類別，滑翔機和直升機也有同樣的耐航類別。

第3章 翱翔天際的必備系統

3-11 在飛機起降時發揮作用的襟翼
當飛機離開出發大廳朝向跑道開始前進時，馬上就會從地板傳來機械聲。此時從乘客坐位的窗口可以看到主翼的後方出現一些往下垂掛著的小機翼，那些就是飛機的襟翼。接著，在快接近目的地、機內廣播「本機即將降落」時，會再一次聽到從地板傳來的聲響。這時往窗外仔細看，飛機在降落時打開的襟翼還比起飛時多。這是為什麼呢？鳥類在展翅準備起飛和降落時，雖然一樣都會張開翅膀，但是明顯地可以發現在降落時翅膀展開的幅度比較大。這是因為翅膀展開的幅度愈大，對空氣的阻力也就愈大，因此牠們才會像這樣盡可能地放慢速度降落，藉以減少衝擊力。
另外，由於飛機主要是設計作為高速飛行的運輸工具，所以對慢速飛行並不拿手。但是在起飛前和降落時，又不得不特別放慢速度。這是因為起飛和降落的速度愈慢，所需要的跑道長度才會愈短。另一方面，對起落架裝置的強度來說，也一樣是速度愈慢對衝擊愈小。但因為升力和速度平方成正比，所以一旦飛機減速，升力也會隨之下降，因此只有在非減速不可的起飛時刻，還要想辦法增加升力。
就像之前說明過的一樣，所謂的升力是藉由機翼扭曲空氣得到的空氣的反作用力。由此可知，為了增加升力，只要加大空氣扭曲的程度就可以了。而以飛機來說，負責這項工作的就是襟翼。只是，如果只是增大扭曲的程度，空氣只會更加紊亂而什麼都做不成。因此一定要在機翼前後打開一點縫隙，藉此從下方將空氣引導上來，才能讓空氣平順地流過機翼上方。

專欄1 美麗又危險的平流層
自從客機進入噴射引擎時代以來，便能飛越對流層，飛升至平流層。從前，我們認為在平流層內就連大白天都可以看見滿天星斗，但實際上雖然沒有閃亮的星星，卻可以看見比陸地上還要濃厚的藍天。
平流層的高度，會隨著氣溫而改變。例如平流層在赤道附近的高度約在17,500m左右、北極附近則大約在8,500m上下，即使是同一個位置，夏季和冬季時的平流層高度也都不同。因此在夏季，也會有飛機爬升到最高位置還無法到達平流層的情況。不只如此，平流層內經常會形成在航空界稱為Cb（Cumulonimbus的簡稱，積雨雲）的一種相當危險的雷雲。Cb一旦成形，不論飛機爬升到多高的高度都無法脫逃。因此，我們都會設置一些飛行員專門在Cb附近觀察，並將Cb的位置、高度、大小等詳細資訊告知塔台，避免讓任何飛機接近。