民國115年 高考三級 航空駕駛(選試直昇機飛行原理)
第1題
請列表說明直昇機的控制分配四個操控輸入項：u(t) [總距Collective, 縱向Cyclic, 橫向Cyclic, 尾舵踏板Pedal]，如何對應到 四個…
題目
請列表說明直昇機的控制分配四個操控輸入項：u(t) [總距Collective, 縱向Cyclic, 橫向Cyclic, 尾舵踏板Pedal]，如何對應到 四個飛行目標 y(t) [高度h, 俯仰角 , 滾轉角 , 航向角 ]？（16 分）及 強耦合項目？ （9 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、控制分配（control allocation）的意義：直昇機屬於多輸入多輸出（MIMO）系統，可寫成 y(t)＝f(u(t))。四個操控輸入 u(t) 分別是總距（collective）、縱向週期變距（longitudinal cyclic）、橫向週期變距（lateral cyclic）與尾舵踏板（pedal）；四個飛行目標 y(t) 則是高度 h、俯仰角 θ、滾轉角 φ 與航向角 ψ。控制分配的工作，就是在給定目標下求出各舵量增量，屬於解耦（decoupling）設計的核心。
- 二、主要對應關係（以懸停與低速為基準）：(1) 總距對應高度 h，改變旋翼總螺距與拉力 T，在油門與轉速協調下達成升降，是高度的主要控制。(2) 縱向週期變距對應俯仰角 θ，前推使槳盤前傾、機頭下俯並產生前飛加速。(3) 橫向週期變距對應滾轉角 φ，右壓使槳盤右傾，產生右滾與右側飛。(4) 尾舵踏板對應航向角 ψ，改變尾旋翼推力（或 NOTAR 排氣）以提供反扭矩與偏航控制。
- 三、強耦合項目（氣動力來源）：(1) 總距與航向耦合：拉力增加使主旋翼反扭矩 Q 增加，若未同步踩舵則機頭偏轉，是最顯著的耦合。(2) 總距與俯仰、滾轉耦合：前飛時誘導下洗與槳盤前傾改變，形成 collective-pitch coupling。(3) 縱向週期與高度耦合：槳盤傾斜使拉力垂直分量 Tcosθ 減少，須補總距。(4) 踏板與滾轉耦合：尾旋翼推力作用點高於重心，產生滾轉力矩。
- 四、強耦合項目（運動與慣性來源）：(1) 俯仰與滾轉耦合：大姿態下歐拉角方程式含 θ、φ 交叉項，航向亦隨之漂移（kinematic coupling）。(2) 偏航與滾轉耦合：轉彎時尾旋翼推力與離心力造成側滑（sideslip），誘發滾轉與荷蘭滾傾向。(3) 升力與速度耦合：進入平移升力（ETL, effective translational lift）區時，功率與姿態同時變化。(4) 旋翼慣性與轉速耦合：總距急拉造成轉速 droop，須由調速器補償。
- 五、解耦與工程作法：可將上述關係線性化為 4×4 控制分配矩陣 B，令 u＝B⁻¹Δy，並由飛行控制電腦（FCC）作交叉饋送（crossfeed），例如總距與踏板混控、總距與俯仰補償、偏航與滾轉補償。直昇機多採 SAS／SCAS 與 AFCS，必要時加入 LQR 或模型預測控制。答題宜以表格呈現主對角項（主要控制）與非對角項（耦合項），並註明耦合強度隨前飛速度、重心位置與風速而變。
AI 依官方試題文字產生的參考解答，非考選部公告答案，內容僅供備考參考。