新手基础教程

 机翼与气流

在说明这个单元之前，我们要先认识一些专有名词，好像开始有点难？不会，其实很简单，现在，我们看上图，注意机翼的下表面是水平的，还有，机翼的上表面其实是不对偶的，机翼的前缘，比较圆润，后缘比较尖锐。我们先离题一下，这样的设计是为什么呢？因为当机翼与空气作相对运动的时候，它不是永远保持水平的，机翼角度常常会改变，所以为了要能够在不同的角度之下都能让气流平顺的被机翼切开，机翼的前缘就设计成圆润的线条，而后缘为了能让流经上下翼表面的气流能平顺的再度合流，所以设计成尖锐的线条。

我们再来认识刚刚说到要认识的几个专有名词。第一个是仰角，仰角是机翼与水平的夹角，注意一下我们的机翼是水平的，也就是说它的仰角是0度。 

  如果把机翼转动一下，我们就可以获得不同的仰角。机翼前缘朝上转动，可以获得正的仰角（仰角的字面意义就是仰起的角度的意思），机翼前缘向下转动，就获得负的仰角，或者可以说是俯角。有一点要注意的是，我们这边提到的仰角是机翼的仰角，不是飞机的仰角，飞机的仰角是飞机机身轴线与水平的夹角，虽然许多飞机的设计，机翼的轴线与机身的轴线平行，两者仰角相同，不过为了说清楚讲明白，我们还是要知道它们之间的不同。 

认识完仰角之后，下一个是攻角。 攻角顾名思义，就是攻击角度的意思，但是这不是说飞行器去攻击谁的角度。而是要把机翼相对于空气运动时，把空气切开的动作称为攻击，攻击角度就是机翼切开空气时的角度。简单的说，攻角就是机翼的轴线之方向与机翼运动方向之夹角。 

 我们用比较具体的方式说明，想像你握着一把刀，水平的握刀，水平的舞动，刀与空气就是在攻角为0的状况作相对运动，如果你垂直握刀，水平舞动，刀与空气就是在作攻角为90度的相对运动。这样应该比较清楚了，在机翼与空气的攻角为0时，表示机翼的轴线与机翼移动的方向平行，也就是说机翼的仰角与机翼运动的方向的角度一样。而当机翼前缘向上转动至角度x，机翼的轴线就与水平夹x度，此时若机翼仍然水平移动时，攻角就是x度。

认识完仰角与攻角之后，我们顺便认识一下它们之间的关系。 既然仰角就是机翼轴线与水平之夹角，攻角就是机翼的仰角与机翼运动方向角度的差。举例来说，一片机翼现在以10度的仰角，水平前进，那它的攻角就是10－0度=10度。而若是该机翼的仰角为10度，但是机翼沿着与水平夹5度角的延伸线前进，这时机翼的攻角就是10－5度＝5度，参考下图，你一定能更清楚的知道他们彼此的关系。

为什么要花这么多时间认识攻角与仰角呢，因为它们对机翼的升力有绝对的影响。而且，若是不正确清楚的认识攻角与仰角的关系与其中的原理，对于吸收更深入的飞航知识来说，其实是不妥当的，任何事物都应该从最简单的地方开始认识，一但你从头到尾都清楚的知道一门学问的原理与因果关系，那么才有可能顺利的吸收更多更深入的知识。

接下来我们要来认识一下攻角与升力的关系，之前我们有提到，升力来自于机翼与空气相对运动时的压力差，我们也提到过，机翼与空气的相对速度越快，我们可以获得更大的升力，那么，是不是我们要获得更大的升力就一定要加速呢？试着想想，要是我们只能告加速上飞机往上升，只能告减速让飞机往下降，那不是很难控制吗？为了要能够再不同的速度条件之下，我们都能保有对飞机升降行为的控制，我们就要来利用这个攻角了。 除了​​增加相对速度之外，其实我们还可以利用改变机翼的攻角，来改变空气在机翼上造成的升力的大小。

攻角与升力的成正比的关系，也就是说，攻角越大，升力也越大。当然，这句话不一定永远成立，在攻角太大的状况下，机翼的上翼面可能会因为过大的攻角形成紊流，紊流就是一种不稳定的流态，无法再翼面上形成稳定流线的空气状态，就是紊流。因为紊流的不稳定性，因此反而会对机翼上方产生极大的压力，因为此时空气可能不是流过机翼表面，而是可能会冲击机翼表面，此时，机翼会失去升力，也就是常常可以听到的失速。当攻角维持在不会产生紊流的范围内，我们只要增加攻角，就可以获得更大的升力，想反的，我们要减少升力，只要把攻角变小就好。现在我们知道，不只是相对速度，攻角大小也可以影响飞机升力的大小。但是同时，增加攻角会增加升力的原理以及改变攻角造成的其他影响，我们也要认识一下。

我们先来认识一下为什么增加攻角，升力会变大。我们从机翼的截面图中可以知道，当攻角增加时，空气流过上翼面的距离也会随之增加，同时，流过下翼面的距离就缩短了。回到一开始我们说过的流速与压力关系，流速越大，压力越小。再增加攻角后，上翼面的空气流过更长的距离，流速更大，压力更小；相对的，下翼面的空气流过更短的距离，流速更低，压力更大。 除了​​这个影响之外，上翼面的气流会因为攻角的增加，而形成一个低压带，在这个低压带中，气压也比较低，而在机翼的下翼面，也会因为攻角的增加而形成一高压带，翼面上下的压力差就会因为这个现象而更为增大。下页图可以概略的表示出这些压力差的现象。 

把上面我们提到的所有压力加在一起，我们就可以获得更大的升力，这就是改变攻角会改变升力的原因。此外，增加攻角时，流过上、下翼面的气流，在离开翼面时，会因为翼面的角度而往下，造成一股下洗流，这股气流一样可以造成升力。基于作用力与反作用力的定律，机翼给空气一股往下的力量，空气就会反作用一股往上的力量。不过这股力量不大，对于升力来说，只是锦上添花，不是主要的升力来源。

接下来，我们用沙盘推演的方式，解说飞机在飞行过程中，升力、仰角与攻角之间的关系。这些关系的原理已经在前面的文章中说过，所以我们用实际的例子来认识，希望给大家一个比较具体的认识。

现在让我们从一架飞机从跑道头准备加速开始，我们知道，这时候是发动机产生的推力作用在飞机上，飞机因而获得往前的加速度。在飞机的升力不足以把飞机本身拉起来 ​​之前，起落架都会提供支撑着飞机的力量。 随着发动机持续提供强大的推力，飞机的对空速度 （注）持续的增加，飞机的升力也会一直增加。 在飞机到达抬轮速度 （注）时，飞机的姿态受到机师的操纵而改变，大家一定有印象，飞机在加速到某程度之后，就会把机头拉高，接下来是很大的重点啰，再飞机往上把机头拉高之时，飞机本身还维持着在跑道上滑行的运动状态，也就是说，此时飞机是沿水平前进的（假设跑道是水平的话），但是飞机的机翼跟随着机身的仰转而改变切开空气的角度，也就是攻角。

   【注解】：飞机是一种与空气动力有密切关系的交通工具，所以我们在飞行的领域中，很少会用到对地面速度这个物理量，因为对飞机来说，这个速度时不具有空气动力意义的，对于飞机的性能与操纵表现有毫无关系，对地速度常常只会用在机舱的资讯系统中，位的是让各人知道飞机正在用极高的速度前往目的地，对驾驶而言，对地速度的意义甚至不及至目的地的剩余时间来的重要。

【注解】:抬轮速度，VR，飞机加速至此速度时，飞行员操作飞机开始仰转。

随着机身的仰转，我们发现机翼的攻角也随之增加，飞机获得的升力也跟着加大。在持续的仰转过程中，我们暂分为三个阶段，第一个阶段，飞机初始仰转，此时升力急遽增加，到达超过重力时候，飞机会开始离开地面。这是仰转过程中第一阶段与第二阶段的分界点，一但飞机的升力大于重力，飞机的爬升率就会开始增加，此时，飞机就不再是作水平运动了。由于飞机一边前进，一边开始爬升，因此飞机的移动角度是略为往上的，此时飞机的仰角就不再等于攻角。

在这过程中，我们假设一架飞机开始仰转后，在仰角到达10度时离开地面，如果飞机一离开地面我们就控制仰角不再增加，维持在10度的状态，随着飞机往上爬升，攻角反而会下降。这是为什么呢？因为在一样的仰角之下，飞机现在有往上爬升的速度，也就是说飞机的运动路线不再是水平的了，飞机的机翼的运动方向与水平有夹角，由于攻角=仰角－飞机机翼与水平夹角，所以攻角在这过程中渐渐降低。飞机的升力也会降低，爬升率就会掉下去。（假设一商业运输客机起飞速度240km，初始爬升率每分钟1500呎，可以知道飞机的运动路线与水平交约6.5度。在仰角维持在10度的条件下，此时攻角只剩下3.5度，比起刚离开地面的时候，飞机的攻角下降了6.5度之多）因此，在仰转的第二阶段，飞机持续的仰转，位的就是在飞机建立足够爬升率的过程中，仍然维持足够的攻角以获得足够的升力。这也是为什么飞机的仰转速度也要有规范加以限制的原因，用整体的角度来看，飞机从开始仰转，一连串的动作包括仰角的增加、升力的增加、爬升率的增加、爬升率增加时仰角的相对变小、持续增加仰角以维持攻角的过程，其实是互相影响的。仰转的太快，飞机的爬升率还没有加上去，过度增加的攻角会造成失速；若仰转的太慢，飞机的爬升率已经增加的很大，过度缓慢增加的攻角会造成升力不足的状况。

到达飞机已经接近建立足够的爬升率时，（对商用民航机来说多半是每分钟3000呎或以上）的水准，仰转的过程就进入第三阶段，此时飞机的仰角多半到达15-20度水准，飞机的爬升角度多半是8-10度的水准，因此攻角稳定的维持在8-10度的水准（此数所指出的数字，是较多数大型商用航机的数字，许多不同机种之参考数字应以各机型之作手册为准，本文中仅针对原理性的问题进行说明，不涉及各机种不同之空气动力特性）。在飞机的仰角与爬升率都稳定的阶段，飞行员就控制飞机停止仰转，维持一稳定的仰角，在爬升率也稳定的条件下，飞机同时也有着稳定的攻角，此时飞机的升力再度与重利达成平衡，飞机的垂直速度也稳定下来，正式进入稳定爬升阶段。

另外要注意的是，在稳定爬升阶段时，飞机的攻角一定比离开地面时要小，这是因为离开地面时，飞机要增加爬升率，因此升力要大于重力，而在稳定爬升时，飞机只要维持爬升率，所以升力等于重力，攻角就不用那样的大，此外，由于飞机离地之后，仍然继续加速，所以在更高的速度下，只要相对更低的攻角，就可以获得与重力相同的升力，因此在稳定爬升阶段，随着飞机的加速，攻角是缓缓的下降的。

在说完以上这些攻角与升力的关系之后我们还要再认识一下攻角对其他物理量的影响，攻角的增加不只会影响到飞机的升力，它还会产生不同的阻力，这也是很重要的。

在机翼的攻角从0度渐渐增加的过程中，机翼迎向空气的面积也渐渐的增大，对机翼来说，此时会受到更大的空气阻力，不只是单纯的迎风面积增加，机翼攻角的增加，也会将机翼上所有压力总力的方向，从垂直方向变成略为向后，这个略为向后的力，我们分成水平与垂直两部分，当然，垂直往上的升力绝对是占很大的比例，但是水平往后的分力也不可忽视的增加的飞机的阻力。因此，在飞机增加攻角的过程中，除了有升力的改变支外，飞机受到的阻力也会改变。 假设同机型、同高度、同样的负载与外型 （注），若是发动机送出一样的推力，带攻角飞行的飞机速度一定会比水平飞行的要来的慢。

   【注解】：飞机的外型是指飞机的形态，包括起飞形态，着陆形态，起落架收放、襟翼角度、与飞机的飞行姿态都包含在所谓的外型中。