飛行原理與飛機空氣動力學概論

作者統整國內外相關文獻，結合多年教學與實務經驗，全面剖析飛行原理與空氣動力學的核心基礎。全書以飛機的發展史為起點，深入介紹飛行動力學基礎、飛機結構與系統、飛行特性、性能分析、空氣動力學原理、機翼與幾何參數、不良偏航力矩與副翼反逆現象、後掠翼飛機的氣動力分析，以及機場設置與地面安全防護等多個知識點。

★專為航空工程愛好者、學生與業界人士打造的入門首選！

陳大達（筆名：小瑞老師）

【學歷】
國立交通大學機械研究所博士
中正理工學院兵器工程系航空組碩士
中正理工學院航空系學士

【經歷】
空軍航空技術學院航空系助理教授
大學地面修護人員（CAA）學科講師
經國號戰機修護人員訓練教官
經國號戰機修護管制官
空軍司令部武器系統分析官
大學及公職考試多年授課資歷

●作者序

隨著科技的快速發展，航空工程的技術也跟著不斷的進步，無人機和低空經濟的興起，伴隨著AI人工智能理念的提出，為航空工程領域帶來了前所未有的變革，並逐步地融入了人類的日常生活。飛行原理與空氣動力學是航空工程領域的核心科學，前者是描述飛行器在空氣中飛行、運動與控制的基本原理，而後者則是以流體力學為基礎研究飛行原理所描述的現象。這兩者緊密相連，構成了航空科技進步的基礎，也是從事航空領域人員必須掌握的知識。根據萃思創新理論，惟有在掌握基礎知識的條件下，才能做不斷地創新、迎接變革與獲取先機。這也意味著對飛行原理和空氣動力學知識的深入理解是國家發展軍事、民生與航空領域人員在就業時不可或缺的必要條件。
中國在2022年所頒布的十四五航空教育工程計畫與相關文件中，明確顯示了其對中西部地區的高等教育發展，尤其是航空教育領域的高度重視。儘管這些地區的高等教育機構面臨著師資嚴重短缺、教師專業不足、教學紀律鬆散和教學管理不善等問題，嚴重影響了中國航空教育的成效與航空工業的發展。但不可否認的是，中國航空技術仍在持續進步，甚至可以說是發展迅速。相較之下，臺灣由於年金改革導致人才外流，加之航空教材的更新滯後，使得航空教育的推廣受到阻礙，進而影響了航空技術的進一步發展。
由於飛行原理與空氣動力學是航空領域的核心學科，也是發展低空經濟不可或缺的基礎知識，所以筆者在研究國內外有關飛行原理與空氣動力學的相關書籍後，結合自己的工作與教學經驗，採用專案管理學模組化方法，並結合AI人工智能輔助技術編寫了本書，旨在為航空專業的學生、從業人員，以及所有對航空工程和低空經濟感興趣的人士提供參考。同時根據實用性和理論的深淺程度。
本書得以出版，首先要感謝秀威資訊科技股份有限公司惠予支持、內人高瓊瑞女士在撰稿期間諸多的協助與鼓勵，以及編輯陳彥儒、邱意珺的細心編排。另外，在編寫的過程中，筆者參閱了許多其他作者的著作，在此一併表示謝意。鑒於個人的能力有限，書中難免存在著疏漏和不足之處，懇請各位讀者不吝賜教，給予批評與指正。

作者序

第一章　飛機的發展史
　一、飛行原理的定義與重要
　二、航空器的定義與分類
　三、航空器的發展歷程
　四、航空器的用途區分
　五、常用飛機的構造特點
　六、民用客機的使用要求
　七、客機分類的標準
　八、無人機的界定與演進
　✈課後練習與思考

第二章　飛機的一般介紹
　一、飛機的基本構造
　二、飛機的外形設計
　三、輔助動力裝置
　四、飛機的主要系統
　✈課後練習與思考

第三章　飛行環境的一般介紹
　一、飛行環境的界定
　二、對流層的範圍與特性
　三、大氣的物理參數
　四、黏性和雷諾數
　五、國際標準大氣
　六、飛機的飛行高度
　七、航空氣象對飛航安全的影響
　八、跡線、流線和煙線
　✈課後練習與思考

第四章　基本的空氣動力學
　一、基本概念介紹
　二、氣流的基本特性
　三、常用的基本方程
　四、膨脹波與震波
　五、超音速管流的加減速特性
　✈課後練習與思考

第五章　飛機機翼的基礎認知
　一、機翼的結構與組成
　二、機翼的幾何外形與參數定義
　三、翼型系列的命名方式
　四、翼型攻角的概念
　五、翼型表面的壓力分布
　六、升力係數與阻力係數
　七、機翼與機身的安裝角度與位置
　✈課後練習與思考

第六章　機翼翼型的空氣動力
　一、翼型的空氣動力與力矩
　二、翼型的壓力中心與空氣動力中心
　三、翼型升力的解釋方式
　四、翼型的升力係數理論
　五、翼型的升力係數曲線
　六、翼型的大攻角失速
　七、翼形阻力形成原因的描述
　八、翼形的震波阻力
　九、飛行馬赫數對翼型氣動力特性的影響
　十、攻角和翼型表面狀況對波阻的影響
　✈課後練習與思考

第七章　飛機飛行的氣動力特性
　一、飛機飛行的總空氣動力
　二、飛機飛行的升力
　三、飛機飛行的阻力
　四、飛機的升阻比曲線與極曲線
　五、飛機的增升和增阻裝置
　六、放下襟翼對飛機空氣動力特性的影響
　✈課後練習與思考

第八章　飛機飛行的基礎認知
　一、飛行任務的主要組成
　二、機場的起降模式
　三、飛行常用的三大座標
　四、飛機飛行角度的定義
　五、飛行速度的測量與修正
　✈課後練習與思考

第九章　飛機的平衡、穩定與操縱
　一、基本概念介紹
　二、飛機的平衡
　三、飛機飛行的穩定性
　四、飛機靜態穩定問題的分類與設計
　五、飛機飛行的動態穩定性問題的分類
　六、飛機的操縱性
　七、飛機的飛行操縱
　八、有害偏航力矩
　九、副翼反逆
　✈課後練習與思考

第十章　現代噴氣式飛機的飛行性能
　一、飛機性能分析的基本觀念
　二、載荷係數
　三、飛機基本飛行性能
　四、飛行包線
　五、飛機的續航性能
　六、飛機的起飛與著陸性能
　✈課後練習與思考

第十一章　後掠翼飛機的空氣動力特性
　一、基本知識介紹
　二、後掠翼在次音速速度區域對空氣動力特性的影響
　三、後掠翼在穿音速區域空氣動力特性的影響
　四、採用後掠翼機翼可能帶來的問題
　五、後掠翼飛機延緩翼尖失速的措施
　六、地面效應
　✈課後練習與思考

第十二章　機場管制與飛航安全
　一、機場的設置與功用
　二、機場的組成
　三、機場地面保障設備
　四、機場管制任務
　五、飛航安全管理
　六、靜電安全防護
　七、外物損傷防護
　八、飛鳥撞擊防制
　✈課後練習與思考

參考文獻

四、黏性和雷諾數
　（一）黏性
黏性是流體的一種基本屬性，包括氣體在內的所有流體都表現出這一特性。當氣體流動或物體在氣體中移動時，黏性會引起一個與流動或移動方向相反的阻力。在飛機飛行過程中，空氣的黏性會產生一種稱為飛行阻力的作用，這種阻力會減緩飛機的速度。在處理一些低速流體的問題時，黏性的影響可能微不足道，以至於可以忽略不計。然而，在飛行原理和空氣動力學的研究中，空氣的黏性對飛機性能的影響是至關重要的。實驗和理論研究都表明，在探討飛機外形與性能設計時，空氣的黏性是一個必不可少且極具影響力的考量因素。
　（二）雷諾數
在流體力學的研究中，雷諾數是一個關鍵參數，用於判斷流體流動的特性和行為。在探討飛行原理和空氣動力學問題時，也是如此。從物理學的角度來說，氣體的雷諾數（Reynolds number）可以視為氣體流場內慣性力（Inertial force）與黏滯力（Viscous force）的比值，用符號Re表示。而從數學上的定義來看，氣體的雷諾數可以用計算公式來計算。式中，ρ為氣體的密度，V為氣體流動的速度，L為特徵長度，μ為氣體的動力黏度。當氣體的雷諾數較小時，黏滯力對氣體流場的影響大於慣性力，流場中氣體流動時的擾動會因為黏滯力而逐漸衰減，因此氣體質點做規則性運動，此時氣體的流動形態為層流（Laminar flow）；反之，如果氣體的雷諾數較大時，慣性力對氣體流場的影響大於黏滯力，氣體質點的運動呈現不規則性的擾動，此時氣體的流動形態為湍流（Turbulent flow）。實驗與研究均已證實，如果氣體的雷諾數高於某一個數值時，流動形態開始由層流轉換成湍流，該數值稱為臨界雷諾數（Critical Reynolds number），當氣體的雷諾數低於臨界雷諾數時，則氣體的流動形態可直接判定為層流。研究中發現，飛行器在湍流中飛行時，其受到的飛行阻力要比層流的大，因此在飛行器的設計過程中，應該盡量使流經飛行器表面的氣流保持在層流狀態。

五、國際標準大氣
飛行環境中的關鍵參數，如壓力、溫度和密度，在大氣層內會因飛機的地理位置、季節變化以及飛行高度的不同而產生變化，進而影響飛機的空氣動力學特性。例如，同一架飛機在不同的地理位置進行試飛時，可能會展現出不同的飛行性能。即使在同一地區，不同季節或時間的試飛也可能導致性能資料的差異。為了確保飛機性能資料的標準化和可比性，國際民航組織（ICAO）制定出「國際標準大氣」，作為評估和統一這些性能資料的參考基準。
　（一）定義
國際標準大氣，簡稱為ISA，是一個人為且固定不變的規定不變的大氣環境，作為計算和試驗飛機的統一標準。它是以北半球中緯度地區（北緯35°～60°）大氣物理特性的平均值為依據，並加以適當修正而建立。