戰鬥機設計與運作原理：帶你了解戰機的外型...

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賴維祥 國立成功大學航空太空學系教授
廖榮鑫 漢翔航空工業股份有限公司 前董事長

專業審訂：
賴維祥 國立成功大學航空太空學系教授

軍事粉專、雜誌熱情推薦：
楊政衛（楊可夫斯基） 俄羅斯戰機
黃竣民 「James的軍事寰宇」粉專經營者
航空最前線
軍事連線雜誌
尖端科技軍事雜誌

前言：戰機的發展史，與本書目的

飛機的發明，讓人類得以在短時間內進行長距離的運輸，這種革命性的高效率交通方式對人類社會的發展產生了巨大的影響——當「天空」和海洋一樣，成為一種交通要道，或甚至某種無形的資源時，各個國家為了保障其主權、維護國家利益，便紛紛組建「空軍」以掌控天空，把守「制空權」。
1903年，美國萊特兄弟首次實現了可控的動力飛行，被絕大多數人認同是飛機的發明者；此時的飛機在型態上採取雙翼設計，材質使用實用化的木頭材質，推力源自往復式活塞引擎。
在十幾年後的第一次世界大戰，歐洲戰場的上空就出現了輔助地面作戰偵察機；而為了對抗偵察機對己方陣線的偵察——第一架戰鬥機出現了。只不過，早期的戰鬥機只進行最簡單的空戰與有限度的少量投擲炸彈，跟現在不可同日而語。
1918年，一戰快結束之前，英國皇家空軍成立，成為人類歷史上第一支空軍。
在一戰之後到二戰初期，工業化帶來的人類科技快速發展，使得愈來愈先進的技術得以被使用在飛機上，而戰鬥機也從雙翼變成單翼、木質材料變成全金屬機身，並安裝上更輕、馬力更大的往復式活塞引擎——1938年正式服役的英國噴火戰機，就是全金屬單翼機的經典之作。
1944年二戰末期，德國空軍投入Me 262 戰機，是人類首次使用渦輪噴射引擎的戰機，戰機就此進入噴射時代。二戰結束後，世界進入近半世紀的冷戰，各國由於政治、軍事上的緊張，大力發展航空工業，戰鬥機技術也在這段時期完成了好幾次更新換代：從第一代的F-86、MiG-15，第二代的F-104、MiG-21，第三代的F-4、MiG-25，到第四代的F-15、F-16、Su-27、MiG-29 等，大致上的進化是：主要武器從機砲變成飛彈，飛行性能從高空高速到靈活機動，空戰能力從視距內到全天候超視距。
1997年，美國F-22首次飛行，不僅在飛行性能上有所進化，更是世界上第一架具有雷達匿蹤外型的空優戰機（這類戰機以確保空中優勢為主要任務，基本上只進行空對空作戰，不執行對地或對海打擊的戰機），以及第一架第五代戰鬥機。
綜觀戰鬥機到現在這一百多年來的演進，主要目標始終是爭奪制空權，但自身能力不斷隨日益新穎的科技而進化，空戰戰法也更加精進。
此外，現代戰機能力更加多元，開始兼顧對地、對海的打擊任務。隨著功能的擴增，現代戰機在戰場能執行更多樣化的任務。

本書的內容及定位
要認識並研究一架飛機，大致可以從幾個面向出發：
‧Design-Engineer（設計—工程師）：從航空工程師的角度，去瞭解飛機設計的原理——這也是本書的定位。
‧Manufacture-Technician（製造—技術人員）：從技術人員的角度，去認識飛機生產製造的加工過程。
‧Operate （Flight）-Pilot（運行—飛行員）：從飛行員的角度，去體會如何操作、駕馭飛機，以及實際飛行時會面對的諸多考量。
‧Maintain-Technician（維護保養—技術人員）：從機務的角度，去探討如何對飛機內的各種系統進行維護、保養。
本書的內容，會著重於各種科學原理的解釋，從航空工程的角度，以目前現役的第四代、五代戰機為主要研究對象，逐一探討關於飛機的各個領域：
-氣動力外型
-結構與材料
-航空發動機
-穩定與控制
-飛行性能分析
-航空電子系統
接著則會介紹戰機的武器和空戰時與戰機搭配的其他平台：
-飛彈、預警機與加油機。
然後，本書會帶領讀者，運用前面所學到的知識來來評估、分析一架戰鬥機各個面向的指標，把F-16 這款經典的輕型戰機當成一個研究的實例，並一同介紹我國與外國目前的主力戰機。最後，我們也會帶出戰機及其他飛行器在設計考量上的不同：
-評估戰鬥機作戰效能的方式
-實例探討
-其他飛行器

第一章、氣動力外型
飛機（Aircraft），一如所有的飛行器，是在充滿空氣的海洋裡航行。
飛機的氣動力外型設計，從根本上定義了這架飛機——它是一架以省油、高航程和續航力為主要要求的運輸機，抑或是以超音速飛行、能夠靈活機動為目標的戰鬥機。在氣動力外型的設計上，主翼（wing）、機身（fuselage）、水平尾翼（horizonal stabilizer）和垂直尾翼（verticalstabilizer）的外型，以及它們合併在一起之後的整體形狀，會決定整架飛機在特定飛行條件下會產生多少升力，並相對要付出多少的阻力為代價；而升力和阻力的大小分布情況，對這架飛機的穩定性、靈活性也有影響。
空氣動力學對氣動力外型的討論，很大程度上是著重在飛機升力和阻力的探討與分析，而某種程度上來說，升力和阻力「系出同源」——它們都是一個物體在一個流場中所感受到的、被該流體施加的力（這包含壓力所造成的力和摩擦所造成的剪力），只不過在飛機所受的所有氣動力中，把飛機往上抬的垂直分量被稱為升力，阻止飛機前進的水平分量被稱為阻力。
飛機的升力主要由機翼提供，機身、水平尾翼提供的升力很小；飛機的阻力主要由機身和主翼造成，水平尾翼和垂直尾翼所造成的阻力較小。
但是在開始討論升力和阻力之前，我們要先對氣流有一點基本的認識。

一、空氣動力學
空氣，一如絕大多數的流體（fluid），是可壓縮（compressible）且有黏滯性（viscous）的。

（一）可壓縮性與馬赫數
可壓縮性
可壓縮性，意味著空氣的密度可能在流動的過程中發生變化。在靜止的狀態下，影響空氣密度最主要的因素為海拔高度；在大氣層之中，空氣的密度和溫度會隨著高度，甚至地理位置和季節而變化。一般來說，低空的空氣密度大、高空的空氣密度小，飛機的巡航高度都在三萬五千英呎左右的平流層之中，飛機飛行高度對應的空氣密度，對飛機本身和航空發動機來說，是一項重要參數。
當空氣開始流動時，空氣本身多少會被壓縮，但當氣流的流速在0.3馬赫（Mach，會於下面說明其意義）以下時，壓縮的現象並不明顯，我們可以將其密度當成常數，將氣流視為不可壓縮流。

馬赫數
所謂的馬赫數（Mach number）， 是一種無因次化參數（dimensionless parameter），它的物理意義為流場慣性力和可壓縮性引起的力的比值。飛機飛行的馬赫數，或更標準的說法是流場的馬赫數，可以簡單地理解為音速的幾倍。比如2馬赫就代表音速的兩倍。不過，聲音的速度和空氣的溫度有很大的關係（聲波本身就是空氣受擾動、規律壓縮所產生的力學波），在寒冷的高空，聲音的傳播速度會稍慢一些，所以馬赫數不能簡單地換算成時速，因為它是飛機飛行速度和當下高度的音速的比值，必須確切掌握該飛行高度所對應的溫度、音速，才能從馬赫數精確地換算出空速（空速是指考慮可能的順風或逆風飛行後，飛機和氣流的相對速度）。
馬赫數：M＝v/c
其中v為飛機飛行的速度、c為該空域的聲音速度

（二）黏滯性、邊界層與雷諾數
黏滯性
至於黏滯性，水或油等生活中常見的流體或多或少都有黏滯性。
空氣相對來說算黏滯性較小的流體，它的黏滯性和溫度有關，在大多數的公式推導中，我們會把空氣當成不具黏滯性的流體來做討論。在探討遠離流場中物體的自由流（free stream）時，這樣的假設是暫時可接受的，但黏滯性造成了一個很重要、不可忽略的現象：邊界層（boundary layer）。

邊界層
邊界層（這裡說的是速度邊界層，velocity boundary layer）是指當流體流過一物體時，流體從和物體接觸的地方（速度為零）到自由流（流速即為流場本身流速）之間那一層速度漸漸過渡、流速慢於自由流的區域。邊界層順著物體的輪廓攀附，厚度很薄，通常當流體剛流到一個物體上時，邊界層主要是層流（laminar flow），在隨後的發展中它會經歷一小段轉換（transition）後變成紊流（turbulent flow）。

層流、紊流與渦流
在層流之中，流體分子大多平穩地向前方流動，可視為一層一層疊在一起向前流，各層之間流動的方向平行；在紊流之中，流體分子前進的方向較不規則，除了向前之外還會往各個方向流動、彼此相互碰撞，並在流場中形成數個渦流（eddy）。

雷諾數
除了剛剛提過的馬赫數之外，雷諾數（Reynold number）也是一個很重要的無因次化參數，它的物理意義為流場慣性力和黏滯力的比值。雷諾數愈大，黏滯力的作用就愈小、愈可以忽略。
雷諾數：Re=ρVL/μ
μ為黏度、ρ為流體密度、V為流速、L為參考長度
雷諾數小的流場，代表它是以層流為主，雷諾數中間的流場，代表它正處在層流與紊流的轉換期，雷諾數大的流場，代表它是以紊流為主。
在對氣流有最基本的概念之後，我們可以開始了解升力與阻力的形成。

二、升力的來源
升力（lift）主要來自於機翼。
機翼，就是設計成在流場中能產生盡量多的升力、並付出盡量少阻力的形狀。這裡，先讓我們考慮二維流場的情況：在二維的視角中，機翼就是一種前方圓鈍、前半部至中部較厚、最後再變細收斂的細長狀流線型剖面，這樣的形狀我們把它直接稱為翼剖面（airfoil）。

（一）翼剖面
翼剖面的形狀可細分非常多種。不同的上下表面曲線變化、沿著弦長（chord length）方向不同的厚度變化，都會造就出不同形狀、在流場中的效應也各異的翼剖面。
要產生升力，翼剖面的形狀是個很關鍵的元素。
翼剖面不只用於機翼，它還被廣泛應用於許多需要在流場中製造或汲取「力」的各式舵面，包含水平尾翼、垂直尾翼、螺旋槳，渦輪扇發動機的扇葉、壓縮機、渦輪等，它們都是由各式各樣的翼剖面構成。
除了翼剖面之外，另外一個關鍵元素就是攻角（AoA ，Angle ofAttack 或 Angle of Incidence）。

（二）攻角
攻角是指機翼弦線與氣流方向的夾角。通常情況下，飛機的機翼水平固定於機身，故飛機的攻角等於機翼的攻角。
攻角的概念也可以用在尾翼、螺旋槳、渦輪等具有翼剖面的結構。
了解完翼剖面和攻角之後，我們便能開始探究升力產生的方式。

（三）升力的來源
升力的產生，是翼剖面上表面的曲線，和下表面的曲線，它們在面對迎來的氣流、讓氣流經過它們，最後讓氣流離開它們的這整個過程中，改變了氣流的流動方向——氣流會大致順著翼剖面上半部和下半部的曲線流動；其中，代表氣流流動方向的線我們稱為流線（streamline），而「被彎曲」的流線， 在意義上等同於在一個平直氣流（uniformflow）的流場上疊加了一股渦流（vortex flow，或vortices），這股渦流，就是升力的來源。
如果我們把機翼周遭內渦流的渦量進行加總（數學上是進行封閉積分），就可以得到環量（circulation）；這股環量再乘上空氣的密度與流速，就能得到二維升力（單位翼展長度所獲得的升力）。

（四）獲得高升力的方式與使用時機
剛剛提到的攻角（也就是翼弦線迎接氣流的角度）和翼剖面的彎曲程度、厚度，三者一起決定了環量的大小。機翼可以藉由前端縫翼（slat）和後端襟翼（flap）的伸展，使得整體形狀更彎曲，幫助主翼獲得更多升力，這類裝置稱為高升力裝置（high lift devices）。至於攻角，通常其角度愈大，機翼所能產生的升力就愈大，但是當攻角大過臨界值時（該值稱為臨界攻角），上翼面的氣流就會無法再順著翼剖面上半部的曲線流動，而導致氣流剝離、升力驟降，這個現象就稱為失速（stall）。
使用高升力裝置、增加攻角可以使機翼獲得更多升力，但與此同時也會使機翼承受更多阻力。
也有一小部分的升力是來自於空氣流經機翼表面時，空氣摩擦機翼表面所造成的剪力所累加。

（五）三維流場的升力
實際的三維流場中，機翼的長度是有限的，在機翼末端，相對高壓的下翼氣流會與相對低壓的上翼氣流混合形成翼尖渦流，這等於降低了機翼的有效攻角，也就是說，三維機翼最後產生的升力大小不會像二維機翼單純乘以翼展後那麼理想。
這差距的程度端看展弦比（Aspect Ratio，AR） 和翼尖小翼（winglet）的設計。展弦比是描述機翼細長或粗短程度的指標，其定義為翼展（span）的平方再除上翼面積。展弦比愈高的機翼，翼尖渦流就愈小，機翼產生的三維升力也就愈接近二維的理想情況。
更專業來說，機翼的展弦比和其他的立體設計，決定了其表面升力的三維分布情形（lift distribution）。
只不過，高展弦比設計並不利於超音速飛行時震波阻力的降低（詳見下一節「阻力」）。

前言：戰機的發展史，與本書目的

飛機的發明，讓人類得以在短時間內進行長距離的運輸，這種革命性的高效率交通方式對人類社會的發展產生了巨大的影響——當「天空」和海洋一樣，成為一種交通要道，或甚至某種無形的資源時，各個國家為了保障其主權、維護國家利益，便紛紛組建「空軍」以掌控天空，把守「制空權」。
1903年，美國萊特兄弟首次實現了可控的動力飛行，被絕大多數人認同是飛機的發明者；此時的飛機在型態上採取雙翼設計，材質使用實用化的木頭材質，推力源自往復式活塞引擎。
在十幾年後的第一次世界大戰，歐洲戰場的上空...

作者皞天是我曾教過航太工程概論課程的學生，當時有感於大一航太工程概論沒有一部較合適的教科書，大部份科普的書沒有一些較進階的概念與方程式，但真正進入專業的領域則方程式太多，對大一尚未學過微積分與流體力學等基礎專業科目的學生而言又太深了。無論國內外，針對航太科系大一航太工程概論的需求，或許只因小眾的需求，要找一本介於科普與專業課程之間教科書確是困難的，因此，在本校航太系的教學，後來劃分成許多不同的章節，請各領域的教師來協同上課，把各領域最基礎的概念講得更清楚深入一點。
我曾經萌生找這幾位航太工程概論授課老師共同來出一本書，每位老師各自負責專業領域的內容，再統整合成一本書。然而，要編輯一本書所需面對最困難的問題是如何獲得各種蒐集照片來源的授權？成為現代出書的新障礙，也因此打消了念頭。
當我看到皞天的這本書時，令我很驚訝；他這本書完全解決了我心目中的二個大難題——介於科普與專業間的書，及引用眾多照片但又都有自己拍攝及找到了提供人士的授權。因此，我敢說，這一本書是航太概論最接近教科書的內容，也因此我願意鄭重地推薦給各大學具有航太系的學校，或各大學機械相關系所有開授航空概論的課程使用，儘管本書強調以戰機為主角；當然對眾多非本科的航太迷也是最佳進階知性參考書。因為我自己也曾一段時間喜歡攝影，發現本書包含這些自拍或提供者的照片，顯然都是航太迷裡頭頂尖的攝影者及在航太領域裡有相當知名度的拍攝者（雖然只用英文名字），可以看到飛機高速時的氣流引生對稱渦流的流動現象，也是研究戰機氣流可視化的最佳呈現教材。同時作者對戰爭歷史的蒐集瞭解，一路鋪陳下來，對人類廿世紀才加入的航空器，或以戰爭角度來看的「戰機」顯然也是左右人類歷史很重要的科技。
作者參考很多不同來源資料，其中不少也蒐集到對岸的資料及照片，很難得的是他會根據所討論的專業領域去描述不同戰機的若干特性，類似從現有的機型去歸納它的專業屬性及差異；因此，這些必須從博物館的飛機裡去找，從照片也看到他應該到過不少博物館，也見證內行者看門道的功夫。當然，他也試著調和兩岸的用語，以這個部份而言，對我審訂的過程也遇到一些挑戰，我也只能儘可能以台灣目前的用語為優先，但若干語法未來要慢慢變成兩岸通用或各自沿用可能還是需要一段時間的歷煉，畢竟兩岸分開多年，對航太新科技的快速發展，我們還有需要加強的空間，但作者願意勇敢地踏出這一步，已屬難得。
最後，還是勉勵作者繼續努力，對未來航太科技及文化的傳承可多出一些心力，並期待在這波國機國造之際，可再起一波航太人才的高峰，並為台灣未來產業帶來更多元的發展空間。

國立成功大學航空太空工程學系教授及前系主任 賴維祥

作者皞天是我曾教過航太工程概論課程的學生，當時有感於大一航太工程概論沒有一部較合適的教科書，大部份科普的書沒有一些較進階的概念與方程式，但真正進入專業的領域則方程式太多，對大一尚未學過微積分與流體力學等基礎專業科目的學生而言又太深了。無論國內外，針對航太科系大一航太工程概論的需求，或許只因小眾的需求，要找一本介於科普與專業課程之間教科書確是困難的，因此，在本校航太系的教學，後來劃分成許多不同的章節，請各領域的教師來協同上課，把各領域最基礎的概念講得更清楚深入一點。
我曾經萌生找這幾位航太工程概論...

一本書的序，是作者寫給讀者的一封信。此刻，我很榮幸能夠寫給各位讀者這樣的一封信。
書前的您，或許是在書剛出時，或幾個月、幾年甚至幾十年之後才看到這本書。不論如何，我都非常感謝您打開這本書，並希望這本書能夠讓您有所收穫。
這本書的源起，是我在2021 年8 月寫了一篇關於飛機穩定與控制的文章，想投稿到國內某軍事雜誌，當時雜誌社編輯吳先生看到這篇文章，就鼓勵我寫一系列完整文章來介紹飛機。儘管最後那些文章因篇幅和定位較不適合軍事雜誌而未刊出，但仍感謝吳先生讓這本書有了最初的雛形。
兩個月後，我整理集結這些投稿未成功的文章，變成一本精簡的電子書，並免費在網路上分享。我特別感謝臉書粉專James 的軍事寰宇，以及馬卡耶夫、單單機長說等Youtuber 願意在這階段幫我分享電子書，讓它在短時間內就有數千次下載，且獲得許多讀者的正面迴響，給了我一定信心。最重要的是，就在那時，我大學時期最要好的朋友之一——唐嘉宏先生，提出了出實體書的想法。在那之前，我從未有過要出書的念頭。要不是他的提議，這本書可能到現在都還只是個流傳在網路上的電子檔，非常感謝他。
2022 年初，我花了一些時間，把原本電子書的內容幾乎全部重寫，最後擴增了五到六倍的內容；隨後投稿到晨星出版社——也就是這本實體書現在可以出現在各位面前的最重要功臣。由衷感謝晨星出版社願意接受我的投稿，讓這本書得以問世。在那之後半年的時間，我也要感謝所有提供圖片給我的朋友，以及這本書的編輯——許宸碩先生，有編輯的努力與辛勞，才能成就這本書的出版。
我寫這本書，並不是為了獲取什麼名利，而是身為一個接受過正規航太工程訓練的工程人員，我想把我的所見所學分享給所有對飛機有興趣的朋友。我知道並不是每一個人都有時間與機會讀四年的航太系、兩年的航太所（甚至攻讀博士學位），但我仍希望讓所有愛好飛機的讀者，藉由這本書盡量體會那些工程原理背後所蘊含的核心精神，這也可以算是渺小的我對這世界的一點點貢獻。一如我選擇理工專業的初衷——造福人類，讓世界一點一點地變得更進步、更美好。
生命有限，但思想與意識可以長存。或許很久以後，我的書只會靜靜放在圖書館某個不起眼的角落，但只要有新讀者翻開了這本書，並在閱讀時獲得了他以前所不知道的知識，這本書仍就在發揮它的價值。
最後，感謝我的家人、師長、朋友，以及所有對這本書有貢獻的人。我由衷希望這本書能讓所有愛好航空的讀者獲取更多專業航空工程知識，然而，這僅僅靠我自己的力量是不夠的，還需要您，本書的讀者，希望您也能把這本書分享出去，讓我們一起完成這份理想，謝謝！

一本書的序，是作者寫給讀者的一封信。此刻，我很榮幸能夠寫給各位讀者這樣的一封信。
書前的您，或許是在書剛出時，或幾個月、幾年甚至幾十年之後才看到這本書。不論如何，我都非常感謝您打開這本書，並希望這本書能夠讓您有所收穫。
這本書的源起，是我在2021 年8 月寫了一篇關於飛機穩定與控制的文章，想投稿到國內某軍事雜誌，當時雜誌社編輯吳先生看到這篇文章，就鼓勵我寫一系列完整文章來介紹飛機。儘管最後那些文章因篇幅和定位較不適合軍事雜誌而未刊出，但仍感謝吳先生讓這本書有了最初的雛形。
兩個月後，我整理集結這些投稿...

審定及推薦序 賴維祥
飛翔是生命共同的夢想 廖榮鑫
作者序
一覽各式戰鬥機風采
前言：戰機的發展史，與本書目的

第一章、氣動力外型
一、空氣動力學
二、升力的來源
三、阻力的產生
四、實際戰鬥機的氣動力外型

第二章、結構與材料
一、靜力學與材料力學
二、機身的結構
三、機翼與尾翼
四、起落架
五、安全係數與循環次數
六、材料的選用與考量

第三章、航空發動機
一、引擎的種類
二、噴射發動機的構造
三、發動機的熱力學概念
四、渦輪噴射發動機的熱機循環圖——布雷頓循環
五、總結：評估發動機性能好壞的指標

第四章、穩定與控制
一、基本知識與概念
二、分析縱向配平所需概念
三、縱向配平分析：壓力中心與重心在同一點
四、縱向配平分析：重心在前、壓力中心在後
五、縱向配平分析：壓力中心在前、重心在後
六、超音速時的縱向配平變化
七、側向的穩定與控制
八、方向的穩定與控制
九、總結

第五章、飛行性能分析
一、水平等速飛行分析
二、空中機動
三、高度—馬赫—單位剩餘功率圖
四、航程與續航力
五、起飛與降落

第六章、航空電子系統
一、整體航電架構
二、雷達
三、匿蹤
四、防禦系統：警告與應對方式
五、電子戰
六、其他航電和各種輔助設備

第七章、飛彈、預警機與加油機
一、飛彈
二、預警機與加油機

第八章、評估戰鬥機作戰效能的方式
一、是否具備匿蹤能力
二、雷達等航電的等級以及飛彈的優劣
三、航程與載彈量
四、飛機的機動性
五、可靠性及實戰效果

第九章、實例探討
一、F-16
二、F-CK-1（經國號戰機）
三、幻象2000-5（Mirage2000-5）
四、世界各國的先進戰機

第十章、其他飛行器
一、民用大型客機
二、無人機
三、直升機

參考資料
延伸閱讀
感謝母校國立成功大學

審定及推薦序 賴維祥
飛翔是生命共同的夢想 廖榮鑫
作者序
一覽各式戰鬥機風采
前言：戰機的發展史，與本書目的

第一章、氣動力外型
一、空氣動力學
二、升力的來源
三、阻力的產生
四、實際戰鬥機的氣動力外型

第二章、結構與材料
一、靜力學與材料力學
二、機身的結構
三、機翼與尾翼
四、起落架
五、安全係數與循環次數
六、材料的選用與考量

第三章、航空發動機
一、引擎的種類
二、噴射發動機的構造
三、發動機的熱力學概念
四、渦輪噴射發動機的熱機循環圖——布雷頓循環
五、總結：評估發動機性能好壞...