飛機為什麼會飛

趣味理解「起飛、航行、降落」的所有機制！

◎機翼所產生的「升力」是？
◎渦輪式風扇引擎成為主流的原因
◎引擎動力全開下，會有什麼問題？
◎起飛時要產生多少動力？
◎大量的燃料要儲存在哪？
◎如何應對因震波引起的失速？

本書著眼於小時候就感到有疑問的簡單問題，例如：為什麼接近400噸的飛機能在空中自由飛行、為什麼噴射引擎能夠提供大的推進力等，儘量不使用困難的專業術語，搭配圖示解說，用直覺感官就能理解，希望能對喜歡飛機的讀者有所幫助！

本書特色

1、解開小時候的疑問！為什麼飛機能在空中自由飛行？為什麼噴射引擎能夠提供強大動力？大量的燃料要儲存在哪？……認識飛機「起飛、航行、降落」的所有機制，搭飛機不再只是旅程的一種工具，你會發現它的迷人之處！
2、圖示解說、簡單易懂！以容易理解的方式介紹飛機力學、引擎、控制裝置、機翼、燃料、速度……，從起飛到降落，告訴你飛機為什麼可以安全且自由地飛行！

中村寬治
橫濱人。早稻田大學畢業後，在全日本空輸股份有限公司（ANA）任職30餘年，擔任波音727、747飛機的工程師。總飛行時間為14,807小時又33分。現在則運用過去在航空公司裡的航班經驗，針對實際乘坐飛機的人所看到的飛機構造、功能、操作等進行解說及執筆著作。主要的著作有《在天空飛行的故事》（公益社團法人 日本技術協會出版）、《飛機的構造與飛行原理》、《跟著飛行員一起開飛機》、《飛機力學超入門》、《噴射機引擎的科學》（science eye新書出版）等。


譯者
盧宛瑜
輔大日文所畢，取得輔大翻譯學程證明。求學期間曾參與2006年中經院舉辦之台日科技高峰論壇研討會會後成果編譯。後陸續擔任多場活動口譯，如日本留學說明會口譯、2011年、2014年、2016年、2018年台北國際旅展中日口譯等。曾任秀峰高中、聖心女中、新莊高中兼職第二外語日文教師。譯有《血管年輕，就能延年益壽》、《提高免疫力的關鍵》等書。

自日本文藝社2007年發行《有趣且易懂的飛機構造》（暫譯，原文書名面白いほどよくわかる 飛行機のしくみ）以來，筆者收到多方寶貴意見和評論，筆者以該書為藍本，進行全面性修正、改寫後作成本書。
從萊特兄弟首飛以來，迎接我們的天空並無多大改變，但飛機卻有顯著的進步。尤其近幾年，飛機隨著電腦一起急速發展。但是，關於在空中飛行的基本知識與萊特兄弟初次飛行時並無重大變化。因此，本書著眼於小時候就感到有疑問的簡單問題，例如為什麼接近400噸的飛機能夠在天空中自由飛行、為什麼噴射引擎能夠提供大的推進力等，且儘量不使用困難的專業術語，即使多少犧牲了一些嚴謹度，但是用直覺或感官就能夠理解。
希望這本書對喜歡飛機的讀者有用。

中村寬治

序

第1章 飛機為什麼會飛
力學關係
汽車與道路、飛機與空氣的4種力學關係
讓我們來看看空氣力學（其1）
讓我們來看看空氣力學（其2）
機翼所產生的「升力」是？
試著用算式呈現升力
飛機從空氣所承受的「動壓力」
如何產生「向前推進的力量」
專欄 煙火大會 貓咪和飛機的搖晃

第2章 為什麼噴射引擎能夠提供強大動力
引擎
讓氣球飛行的空氣動力大小
加大推進力的2種方式
渦輪式風扇引擎成為主流的原因
窺視渦輪式風扇引擎會發現
風扇的大作用
從壓縮機到排氣
發動引擎的準備
發動引擎（其1）
發動引擎（其2）
引擎產生的4種動力
控制引擎動力的操縱桿
引擎動力全開下，會有什麼問題
實現安全駕駛的燃料控制裝置
起飛時要產生多少動力
從推進力的算式來計算起飛推進力
大量的燃料要儲存在哪
探索到達引擎的路徑
專欄 從平流層看到的極光 磁北與正北

第3章 要怎麼做才能在天空中自由飛翔
關於機翼
為了自由飛翔的「各種機翼」
為什麼需要襟翼
飛機只有主翼無法穩定飛行
為了自由飛行的3個舵和3個方向
副翼（aileron）的重要作用
方向舵的兩個重要作用
空中改變方向時的力學平衡
上升時的力學平衡
下降時的力學平衡
飛行當中移動的力量是什麼

速度
對飛行員而言相當重要的速度是什麼
空速與地速的差別
為什麼飛機的速度與音速有關
馬赫的神奇世界
臨界馬赫數與失速前抖動

高度、位置
知道飛行高度的裝置
必須校正氣壓測高計

姿勢、方向
了解飛機現在「姿勢」的裝置
方便了解飛機姿勢的屬性
為什麼能夠知道方向
了解飛機姿勢及方向的慣性導航系統（其1）
了解飛機姿勢及方向的慣性導航系統（其2）
了解飛行中位置的方法
自動駕駛儀（autopilot）是什麼

引擎控制
飛行管理系統（FMS）是什麼
引擎裡為什麼需要儀表
引擎儀表可以知道推進力大小
如何計算引擎轉速
如何測量引擎溫度
為何需要測量引擎使用燃料的流量

從起飛到降落
飛行的準備（其1）
飛行的準備（其2）
終於啟動引擎！
終於起飛
起飛速度實際上要如何使用
開始下降然後降落

【力學關係】

汽車與道路、飛機與空氣的４種力學關係
如果空氣什麼都不做，就無法支撐起飛機
 
汽車能夠在路上停下來，是因為作用在汽車上的重力往道路施壓，以及道路的反作用垂直阻力互相平衡。在一定的速度下前進時，引擎產生的前進力與道路的摩擦力、空氣阻力等和行進方向相反的阻力互相平衡。
由以上得知，汽車包含了重力、道路反作用力、向前推進力及阻力等4種力學關係。
飛機和汽車完全相同，由4種力學關係組成。但與道路不同的是，如果空氣什麼也不做，那就無法支撐起飛機。為了與重力相平衡，必須從空氣中獲得力量。而擔任這個角色的，就是機翼。
機翼所產生的力量，就是升力，為了要獲得升力，飛機必須一直前進。也就是說，飛機不僅是為了移動，要獲得升力，也必須持續往前。藉由向前進，機翼劃破空氣後，空氣會產生反作用，於是形成了升力。
由引擎產生的往前進的力量稱為推進力，而空氣產生的抵抗力稱為阻力，飛機與汽車相同，當在相同高度下維持一定的飛行速度時，重力與升力、推進力和阻力的大小均各自相等。
要檢查飛機性能，重要的要素有升力與阻力的比率，也就是升阻比。在升力250噸下，當阻力為14噸時，升阻比為18。這個意思是用飛機總重量的18分之1的力即可飛行。
 
讓我們來看看空氣力學（其1）
吸盤黏在浴室磁磚上的原理
 
為了了解支撐飛機的升力及阻力大小，首先要調查空氣當中有多少力量。
將手放在水中，會感覺到壓迫感，這股力量就是靜壓力。如將手放入像河川一樣會流動的水中，除了壓迫感外，還會感受到手被沖往後方的力量，這股力量就是動壓力。如果講深一點，動壓力具有切向分量，其大小取決於手掌的方向，以及阻斷水流的方式。鯉魚在河川裡稍微受到水流影響，便會在原地悠游，這就是證明。
空氣和水一樣，都是流體一族，其靜壓力與動壓力的定義也相同。如果在風吹的情況下可以感覺到動壓力，但靜壓力則無法得知有無。這是因為我們體內也有1大氣壓力。
1大氣壓力指的是地面承受的氣壓，其大小為承受底面積1平方公尺、高10公尺以上的水柱重力，每1平方公尺約有10噸。
以例子來實際感受這個力量的大小，就相當於在浴室的磁磚上，使用沒有打釘子的吸盤。
如圖所示，與吸盤緊密連接的磁磚側的氣壓接近0。相對於此，外側就有約20kg的作用力。
這相當於需要舉起4瓶500毫升寶特瓶的力氣，無法輕易拿下來。不過，當磁磚側有空氣進入時，就變成了1大氣壓，如此便可以輕鬆取下了。
 
讓我們來看看空氣力學（其2）
靜壓力與動壓力的關係
 
洗車時，如果捏住水管前端，水勢就會增強，要沖掉輪胎周圍的髒汙就很方便。出水口的水量沒有改變，為什麼水勢及速度會增加呢？
當捏住水管前端周圍，水勢就會增強，也就是水流速度會變快，動壓力就會變大。
不過，當停滯在前端周圍的水壓比原本的水壓高時，水就不會再流動。但實際上水會更有力地流出，將輪胎上的髒汙確實沖掉。
原因是當流速變快時，也就是動壓力變大的時候，靜壓力就會變小，當全體壓力（全壓）固定時，水流就不會再受到阻礙。
以事實觀點來看，動壓力變大，靜壓力就會變小。壓力能量（靜壓）在狹窄的通道會變成運動能量（動壓）。以全體能量（總壓力）而言，在能量保存法則下並無變化，這就叫做柏努利定律（Bernoulli's principle），如圖中公式所示。
上述狀況如果把水換成空氣，也是相同的。例如當正面迎風時，是不是就會感覺到向後倒的力量？
用身體阻擋風的速度使其變成0時，運動能量就會轉換成壓力能量，受壓側的靜壓力就會變大，並感受到向後倒的力量。當動壓力一被阻擋流動，靜壓力就會發揮出來。
 
機翼所產生的「升力」是？
升力與動壓力及機翼面積成正比
 
鯉魚在河川中，受到水流輕微影響仍能在同一個地方悠游。
這是因為和流線型這種形狀有關。觀察鯉魚周圍的水流樣態（稱為流線），會發現這是左右對稱。就算水流有彎曲，也就是動壓力產生變化，左右兩側仍然相同，力量也是平衡的。
這意味著當破壞動壓力平衡後產生反作用力時，動壓力愈大，反作用力也愈大。
這個力量在周遭的事物中也能夠體驗到。
舉例來說，用湯匙的彎曲側靠近水龍頭出水口的水，會感受到從某個位置忽然被拉起的力量。這是因為彎曲側的空氣被水加速後，動壓力變大的關係。
此外，在紙的上半部吹氣，紙就會飄起，這也是相同的道理。再者如圖所示，用各式各樣的板子以不同角度在風中實驗，就會得知能夠形成最有效力量的板子形狀、以及板子的角度（攻角）。
如此就能有效利用動壓力變化所產生的力量，而機翼所產生的力量就稱為升力。另有一題外話，如果是利用比河水的動壓力更大的瀑布動壓力，「鯉躍龍門」或許就有可能了。
如此，機翼藉由平穩地接受空氣之力後便會產生升力，動壓力具有切向分量，其大小取決於捕捉風流的形狀，也就是面積，機翼面積愈大，能夠獲得的升力就愈大。
由此可知，升力與動壓力及機翼面積成正比。

試著用算式呈現升力
升力＝升力係數ｘ動壓力ｘ機翼面積
 
這裡用別的觀點來看，機翼讓氣流向後方下側彎曲，其反作用的力量就是升力，我們就先談談這個話題。反作用力的大小，根據牛頓的第2運動定律，力量＝質量ｘ加速度，也就是說，升力＝空氣的質量ｘ彎曲加速度，而加速度＝速度÷時間，因此升力＝空氣的質量ｘ速度÷時間。
此外，這裡所指的時間，就是空氣通過機翼長度的時間，因此，時間＝機翼長度÷速度。而空氣的質量＝空氣密度ｘ機翼體積，機翼體積＝機翼長度ｘ機翼面積，也就是說，升力與空氣密度ｘ（速度）2ｘ機翼面積成正比。如果將升力係數當作比例係數，升力＝升力係數ｘ空氣密度ｘ（速度）2ｘ機翼面積。
更簡單地說，如果升力是源自於機翼成功接收動壓力後自空氣產生出的反作用力，而作用於全體機翼的力量就是動壓力ｘ面積，那麼也能表示為升力＝升力係數ｘ動壓力ｘ機翼面積。
綜上所述，可以表示成左圖的式子。

飛機從空氣所承受的「動壓力」
作用於與行進方向呈直角的空氣力量就是升力，相反的方向為阻力。

如同伽利略在比薩斜塔上做的實驗，當在某高度將物品向下丟，如果沒有空氣阻力，那麼物品掉落的速度將與重量無關，且速度相同，這是眾所皆知的。
其掉落速度如左圖所示，以每秒9.8公尺加速向下，這就是重力加速度。如果沒有空氣阻力，那就會加速度向下掉落（自由落體）。
例如高空跳傘，在跳下的最開始幾秒間，會因重力的加速度而加速。但在數秒後，就會以一定的速度（臉朝下的姿勢時速約為200km！）向下降。這是因為空氣的阻力與重力相平衡。
打開降落傘後，由於阻力會增大，速度會減至即使著陸腳也不會摔斷的程度，一邊保持適當的阻力大小，一邊緩慢下降並著陸。
如此，當在空氣中以高速移動時，可知會從空氣中承受力量，而當飛機在空中飛行時，從空氣承受的力量可區分為：
‧作用於與行進方向呈直角的空氣力量為升力
‧作用於與行進方向相反的空氣力量為阻力
也就是說，升力與阻力都是作用於飛機的空氣力量，只因作用的方向不同而有不一樣的名稱。
從空氣承受到的力量，就是目前為止一直提到的動壓力。無論是阻力或升力，都與動壓力成正比，因此要以算式呈現的話也幾乎相同。不一樣的地方只有升力係數代換成阻力係數。
 
如何產生「向前推進的力量」
飛機與直升機、鳥類的差異是什麼
 
鳥類靈巧地拍動翅膀，藉由切斷空氣，用翅膀根部到中間產生升力，然後用翅膀前端產生推進力。
鳥類只需要靠一對翅膀，就可以同時產生升力及推進力，在空中自由飛翔。
同樣地，直升機也是如此，以機翼單獨產生升力及推進力。這個原理和竹蜻蜓相同，讓機翼以旋轉方式取代拍動，藉此同時產生升力及推進力。由於機翼一邊旋轉一邊在天上飛，因此直升機又叫做旋翼機。
不旋轉，而是固定翼機種的飛機恰如其名，由於機翼是固定的，因此無法拍動。為了要利用機翼切斷空氣，一定要用其他方式來代替拍動向前進。最簡單的前進方式，就是從高處跳下。在降落地面之前如果得到足夠的升力，那就能夠成功。
萊特兄弟利用汽車引擎讓螺旋槳旋轉然後飛行，這是最早從平地起飛的紀錄（1903年）。於此30年後才開始噴射引擎的歷史，現在則成為客機的主流。
噴射引擎的原理簡言之就跟膨脹的氣球能夠飛行的原理相同（參考第25頁）。只不過，當氣球的空氣用完就不能飛了，而噴射引擎會吸入大量空氣，在後方加速後噴出，只要周圍有空氣就能飛行。噴射出空氣的英文就是jet（噴射），因此稱為噴射引擎（※關於噴射引擎，詳細內容於下一章說明）。