升力、阻力、推力與重力

四種力

每架飛行中的航空器都恰好受到四種力的作用：

升力垂直於相對風（機翼所遇到的氣流）作用。機翼上下表面的壓力差產生升力。升力取決於空速、空氣密度、機翼面積、機翼形狀 & 攻角。

重量垂直向下,指向地球中心。它是作用於飛機及機上一切物品的重力,包括燃油、乘客與貨物。飛行期間燃油逐漸燃燒,重量也隨之改變。

推力是引擎產生的向前作用力,引擎類型包括螺旋槳、渦輪風扇、渦輪噴射或火箭。推力使飛機加速,並在對抗阻力時維持空速。

阻力是向後作用、阻礙飛機在空氣中前進的力。主要分為兩種:寄生阻力(來自機身、起落架與天線的摩擦阻力與形狀阻力),隨速度增加而增大;以及誘導阻力(產生升力時的副產物),隨速度增加而減小。

在直線、水平、無加速度的飛行中,四種力處於平衡狀態:升力等於重量,推力等於阻力。只要改變其中任何一種力,飛機就會加速、爬升、下降或轉彎。

作用中的力

平衡與延伸

理解四種力不只是學術知識，更是飛行員的思考方式。飛行的每個階段，都是對這些力的一次受控失衡。起飛：推力大於阻力。爬升：升力大於重力。下降：重力大於升力。降落：阻力大於推力。

各類阻力之間的交互作用特別重要。低速時，誘導阻力偏高（機翼在大攻角下費力工作）。高速時，寄生阻力偏高（機身推開密度相對更高的氣流）。存在一個使總阻力最小的速度：這個速度對應最大航程 & 最長續航時間。

副翼、升降舵與方向舵

三個旋轉軸

飛機繞三個軸旋轉,每個軸由特定的飛行操控面控制:

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縱軸（滾轉）： 由副翼控制，副翼是安裝在每側機翼外側後緣的鉸接操縱面。將操縱桿向左推，左副翼上升（減少該側機翼的升力），右副翼下降（增加升力），飛機便向左滾轉。滾轉是飛機轉彎的方式：機身傾斜進入轉彎，升力的一個分量便將飛機拉過彎道。

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橫軸（俯仰）： 由尾部水平安定面上的升降舵控制。向後拉操縱桿，升降舵向上偏轉，把機尾壓低、機頭抬起。俯仰控制攻角，並間接控制空速。

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垂直軸（偏航）： 由垂直安定面上的方向舵控制。踩下左方向舵踏板，方向舵向左偏轉，把機尾推向右、機頭推向左。方向舵主要用來協調轉彎並抵消逆偏航，而不是單獨用來使飛機轉向。

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襟翼是安裝在機翼內側後緣的鉸接操縱面。起飛與降落時放出襟翼，可同時增加升力與阻力，讓飛機能以較低的空速飛行。襟翼會改變機翼的翼拱（彎曲度）。

配平片(Trim)讓飛行員調整升降舵的中立位置,使飛機不必持續施加操縱桿壓力,也能維持所需的俯仰姿態。適當的配平能大幅減輕飛行員的工作負荷。

協調飛行

讓飛機轉彎

常見的誤解認為飛機像船一樣靠方向舵轉彎。實際上,飛機靠傾斜機身轉彎:機翼滾轉後,升力的一個分量把飛機沿水平方向拉向彎道內側。轉彎時方向舵的任務是協調,讓機頭對準飛行路徑,避免飛機側滑或外滑。

在坡度轉彎中,原本用來支撐飛機重量的升力,有一部分轉向水平方向。這代表可用的垂直升力減少,除非飛行員增加拉桿壓力(或加大動力)來提高總升力,否則飛機會掉高度。

六儀表組與導航系統

六大主要飛行儀表

從 Cessna 172 到 Airbus A380,每架飛機都顯示相同的六項核心資訊,傳統上排成兩列、每列三個(「六儀表組」):

空速表: 顯示飛機相對於空氣的速度(而非相對於地面的速度)。由皮托靜壓系統驅動:朝前的管子(皮托管)測量衝壓空氣壓力,靜壓孔則測量周圍大氣壓力。兩者的差值就是動壓,可指示空速。

姿態儀(人工地平儀): 顯示飛機相對於地平線的俯仰與傾斜姿態。在雲中或夜間看不見自然地平線時,這是飛行中最關鍵的儀表。

高度表: 顯示平均海平面以上的高度,依據靜壓孔測得的大氣壓力運作。飛行員會調整高度表撥定值,以修正當地的氣壓。

轉彎協調儀（Turn coordinator）： 顯示轉彎的速率與品質，也就是飛機處於協調、側滑（slipping）或外滑（skidding）狀態。

航向指示器（方向陀螺儀）： 顯示飛機的磁航向。在亂流或轉彎時，比磁羅盤更穩定。

垂直速度指示器（VSI）： 以每分鐘英尺數顯示爬升或下降的速率。

導航

VOR(特高頻全向導航台): 地面無線電導航台,會發射方位線(radial):也就是從導航台起算的磁方位。飛行員沿特定方位線飛行,在各個 VOR 之間導航。自 1950 年代起,這一直是航路導航的骨幹。

GPS: 衛星導航如今居於主導地位。現代 GPS 進場程序能在能見度為零的情況下,引導航空器抵達距跑道入口 200 英尺以內的位置。

IFR 與 VFR: 目視飛行規則(VFR)要求飛行員以目視參照地面,並符合特定天氣最低標準(能見度、與雲的間隔)。儀表飛行規則(IFR)允許在雲中與低能見度下,憑儀表與空中交通管制(ATC)的引導飛行。IFR 需要儀表等級、具備 IFR 設備的航空器,以及已提交的飛行計畫。

盲飛

當你看不見時

空間迷向(spatial disorientation)是通用航空致命事故的主要原因之一。人類的前庭系統(內耳)為行走而演化,並非為飛行而演化。在雲中或夜間看不到地平線時,身體會欺騙你:明明處於 30 度的坡度傾斜,你卻可能覺得機身水平;明明正在下降,你卻可能覺得自己正在爬升。

小約翰·甘迺迪於 1999 年罹難,當時他駕駛 Piper Saratoga 飛機,在夜間飛入海面上方的霾中。他沒有儀器飛行等級。由於看不見地平線,他很可能陷入了「死亡螺旋」(graveyard spiral):這是一種逐漸變陡的下降轉彎,但內耳卻感覺像在直線飛行。

飛行員的天氣危害

天氣會奪走飛行員的生命

天氣是通用航空致命事故中最常見的單一因素。原因不在天氣難以預測，而在飛行員對天氣做出錯誤的決定。

鋒面：冷鋒會鑽到暖空氣下方，形成一條狹窄的劇烈天氣帶：雷暴、風切、亂流。暖鋒則滑升到冷空氣之上，形成大範圍的低雲、降雨與能見度下降。知道接近的是哪一種鋒面，就知道該預期哪一類危害。

亂流：機械亂流來自風吹過地形。對流亂流來自炎熱天氣中的熱上升氣流。晴空亂流（CAT）發生在高空的噴流附近，沒有任何視覺徵兆。重型飛機產生的尾流亂流，足以讓小型飛機翻覆。

結冰: 當過冷水滴接觸飛機表面並凍結時，就會產生結構性結冰。機翼上的冰會破壞升力 & 增加阻力。螺旋槳上的冰會降低推力。皮托管上的冰會使空速表失效。大多數小型飛機未取得在已知結冰條件下飛行的認證。

密度高度: 炎熱、潮濕、高海拔的空氣稀薄。飛機的表現如同身處更高的高度：起飛滑跑距離更長，爬升率降低，引擎動力下降。一條在涼爽早晨的海平面上可安全使用的跑道，到了海拔 5,000 英尺的炎熱午後，可能短得危險。

飛，還是不飛

航空決策

每一次飛行都從一個「飛或不飛」的決定開始。專業飛行員使用結構化的框架：PAVE（Pilot 飛行員、Aircraft 飛機、enVironment 環境、External pressures 外部壓力）& IMSAFE（Illness 疾病、Medication 藥物、Stress 壓力、Alcohol 酒精、Fatigue 疲勞、Eating 飲食）。這些檢查表之所以存在，是因為航空中最危險的威脅不是雷暴或引擎故障：而是在評估風險之前就已決定要飛的飛行員。

「到達症候群」（get-there-itis），即在天候惡化時仍承受著完成飛行的壓力，是通用航空中最致命的模式。美國國家運輸安全委員會（NTSB）調查過數以百計的致命事故，飛行員明知天候惡劣仍飛入其中，只因他們覺得非抵達目的地不可。

航空帶你前往何方

飛行員證照

私人飛行員執照(PPL): 最低飛行時數 40 小時(全國平均為 60 至 70 小時)。持照者可依目視飛行規則(VFR)駕駛單引擎飛機並搭載乘客,但不得收取報酬。費用:10,000 至 15,000 美元。

儀表飛行等級: 額外訓練,學習在雲層中 & 低能見度下依靠儀表飛行。多數職業飛行必備 & 強烈建議為了安全而取得。

商用飛行員執照(CPL): 最低 250 小時。持照者可收取報酬飛行:拖曳廣告布條、空中測量、包機飛行。

航空運輸飛行員(ATP): 最低 1,500 小時(軍方出身者 1,000 小時,特定training計畫可降至 750 小時的限制型 ATP)。擔任航空公司機長必備。這是最高等級的飛行員證照。

其他航空職涯

A&P 機械師(機身與動力裝置): 取得 FAA 認證的航空器維修技師。需 18 至 24 個月的學校課程或同等的軍中經驗。需求高、薪資優渥, & 完全不必擔心就業市場:航空器永遠需要維修。

空中交通管制員(ATC): 由聯邦航空總署(FAA)管理。必須在 31 歲前受聘。透過 FAA 的 AT-SA 能力測驗進行競爭性遴選。壓力大、薪資高,56 歲強制退休。受訓期間起薪約 $40,000,資深管制員年薪為 $100,000-$180,000。

無人機飛行員(Part 107): 取得 FAA 遠端飛行員證照,即可從事商業無人機作業。只需通過筆試,不要求飛行時數。可開啟空拍、測量、檢測、農業 & 房地產等職涯。這是航空業成長最快的領域。

軍事途徑: 所有軍種都operate航空器。軍方飛行員免費接受世界級訓練,換取服役承諾(飛行員通常為 10 年)。許多航空公司飛行員來自軍旅生涯。軍方維修人員 & 空管人員轉入民間職涯也很順利。

綜合應用

融會貫通

你現在已經了解飛行的四種作用力、飛行員如何操控航空器、儀表如何在雲中保障安全、為何天氣是通用航空最致命的危害,以及航空業的各種職涯路徑。

航空業重視具備系統思維的人:作用力與操縱裝置互相影響,操縱裝置與儀表互相影響,儀表與天氣互相影響,天氣與決策互相影響。最優秀的飛行員、機務員 & 管制員,並非反應最快的人,而是能預先思考的人。