飛機概念設計階段的穩定與控制模擬

疫情解封半年了，你出過國了嗎？

當你開始自己安排行程，為了能留更多預算吃美食、買紀念品，我們往往會貨比三家，盡可能找到更加實惠的機票。但找著找著總是會發現，欸！奇怪，怎麼需要轉機的航程，總是比直達班機便宜上許多！？

明明航程更長，為什麼票價卻變便宜了呢？

機票價格是怎麼定的？

綜觀整個大眾運輸市場，陸上交通工具如高鐵、火車、客運的票價，不論是連假還是平日，其實都不會相差太多。然而飛機卻完全不一樣，即使是在旅遊淡季，價格仍然會以分鐘為單位上下波動，要搶到一張經濟實惠的機票，全憑本事了！

航空公司的訂價策略是票價快速浮動的主因之一，即使是同一班機，每個座位的定價會有所不同，距離起飛的剩餘時間、班機上的空位情況也都會影響價格。除了市場的供需外，國際油價、人力成本也都是影響成本的因素。

航空公司在計算完各項成本之後，首要任務就是決定要開哪些航線，以及在這些航線上配置多少班次的飛機，才能最大化運輸旅客並且避免浪費太多空位。

為什麼轉機比較便宜？

其實載人跟載貨的情形很像，如果你把自己想像成貨物，航空公司換成貨運公司，就很好理解了。當我們網購下單東西時，貨運公司並非從店家直接派一台貨運車送貨到府，而是先集中到物流中心，接著發到各縣市較小的營業所，最後才由司機個別配送。

從點對點運輸改為集中後再處理，雖然單一貨物需要移動的距離變長了，但物流路線的複雜度卻簡化了許多；以貨運公司的角度來看，在相同的人力下，每天能配送的貨物量也就增加了。

這種物流重新分配方式稱為軸輻網路或是樞紐網路（hub-and-spoke network），在剛才的例子中，整個網路如同車輪的輻條般輻射展開，而物流中心就是中心的樞紐 hub。

把相同的概念放到航運中，這些關鍵的樞紐就稱為樞紐機場，長途航線通常會經過樞紐機場並在此轉機，繼續前往目的地。至於要選擇哪個機場是樞紐機場，除了考量機場的吞吐量外，當然也考量到航空公司本身的所在位置。例如國內的華航、長榮、星宇航空等，樞紐機場就都在桃園國際機場，而大家飛歐洲線常搭的阿聯酋航空，樞紐機場就在杜拜國際機場，這也是為什麼我們通常都得在杜拜轉機。

在 hub-and-spoke 的架構下，航空公司可以放心把總部設在樞紐機場，不僅能高度掌握每條航線，人力成本分配也可以更簡化。

航線上的交通規則

此時此刻，全球正在飛行的飛機數量，大概有 8000～20000 架次，這數量可不少，必須有妥善的管制系統。天空其實和汽車的高速公路、火車的鐵軌一樣，飛機也需要照著明確規劃好的空中航線及高度飛行，並且遵循飛航管制。

撇開因為機械故障導致的空難，因人為失誤導致飛機在空中「相撞」，在歷史上確實發生過幾次。

例如 1986 年，墨西哥國際航空 498 號班機與私人小型飛機在洛杉磯國際機場上空發生擦撞，雙雙墜毀。事後調查，肇事的原因是由於實習航管員分心，忽略了雷達中出現的小型飛機訊號，未能提醒兩架班機迴避，因此發生憾事。在這之後，美國聯邦航空局強制所有境內的飛機，都要安裝空中防撞系統，避免憾事再次發生。

時至今日，除了在飛機上安裝防撞系統外，航空管制多次調整，訂出垂直隔離、前後隔離、左右隔離等規範。

以垂直隔離為例，依照高度將航道分為了好幾「層」；除非遇到亂流、機械故障等緊急狀況，否則飛機應保持在特定的飛航空層（Flight Level , FL）中飛行，如：FL290 就是該飛機在高度 2 萬 9 千英尺飛行。隨著大氣數據計算機、高度計以及自動駕駛系統的發展，現在兩個飛航空層的垂直間隔為 1000 英尺；因此在一般民航機巡航高度的 FL290 到 FL410 之間，共可以切割出 13 個空層供飛機飛行。

另外，萬一真的不幸發生意外，飛機要能找到地方緊急迫降，此時要考慮的便是延程飛行時間 （Extended Operation），也就是當意外發生時，迫降到最近機場的時間。通常航線規劃時會要求航線中的任一點，要能在 60～180 分鐘內飛到最近的機場，因此航線的規劃就不能偏離陸地太遠。

為了能橫跨大洋，選擇不同的機型、飛機本身噴射發動機數量的不同，延程飛行時間也可以跟著拉長。例如較新的波音 777 中許多型號，便通過了 ETOPS-330 的認證，代表延程飛行的容許時間長達 330 分鐘 。

飛機怎麼飛快又省油？

這一條條的空中公路，又該怎麼規劃，才能又快又省油呢？我們可以直接看看實際運行中的航線。然後就會發現：飛機竟然不飛直線，而是繞了個大弧線！你以為是繞了遠路嗎？恰恰相反，這是最短距離！

我們來思考一下，要如何在地球上劃出兩點間的最短距離？只要把地球像是西瓜一樣一刀切下，這一刀不僅要同時經過目標兩點，還要通過球心，剛好把地球切成對半。這條弧線就是兩點的最短距離，又稱為大圓弧線。使用此路線飛行的航線，則稱為大圓航線。

除了大圓航線外，風速當然也是需要考量的重要因素。在地球中緯度的高空上，有條長年從西吹向東的西風帶，如果乘上這些風帶由西向東飛，不僅比較快也較省油；反過來由東向西逆風飛行，所需時間就會較久。以及在各緯度都有可能出現、風速可達時速 200 到 300 公里的噴射氣流，飛行時，若利用這些風帶的效益比大圓航線還要高的話，既可以省油、省時又省錢。

如果還想要繼續深入機票的定價策略，就會發現裡面複雜的程度就像是氣象預報一樣。

例如為了讓每個座位不被浪費，航空公司出售機票的數量可能比實際的座位數量還要多，也就是所謂的機位超賣，至於要超賣多少張機票，則要綜合考量該班次遊客的性質通常是商業或是旅遊目的居多，並且計算旅客放棄的機率以及賠償成本等等。當旅遊旺季時，還要考量到機場航班過多，機場跑道的起降還要排隊造成的擁擠延誤成本等等。

如果可以簡單誰想要複雜呢？因此也有航空公司推出低成本航空，也就是我們常說的廉航。它們會選擇反其道而行，減少大型機場使用，並以短、中航程為主，策略又完全不一樣。

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本文由 我的青航時代－2023航發會×暑期航空營 委託，泛科學企劃執行。

座落在熱帶和亞熱帶氣候帶的台灣，地形複雜，天氣的變化多端，比另一半翻臉的速度還快。在地面上的人們尚且需要天氣預報，才能順利規劃日常生活起居；在天空中翺翔的飛機，同樣也必須仰賴航空氣象的資訊，才能完成一趟安全的飛行。一起來瞭解航空氣象扮演的重要角色吧！

努力讓「不測風雲」變得可測

過去不少令人觸目驚心的空難憾事，如 2014 年復興航空 222 號班機空難受颱風麥德姆風雨影響墜毀、2020 年空軍黑鷹直升機因天氣驟變失事，都與天氣因素有關。根據台灣國家運輸安全調查委員會的報告，台灣近 10 年的民用航空運輸重大飛航事故分析中，「天氣」是其中僅次於人員因素的事故原因。

因此要守護機組人員與乘客的安全，能否及時提供可靠的機場氣象觀測、預報及警報，供飛航作業人員參考，便至關重要。

那麽氣象資訊是怎麽來的呢？幕後功臣就是設置於台灣各處民航機場，堅守各自崗位的航空氣象臺。目前全島共有 5 個航空氣象臺（松山、桃園、高雄、豐年及金門）與 5 個任務臺（蘭嶼、綠島、恆春、北竿、南竿）^[註1]負責監測航空氣象。

航空氣象人員的職責，就是蒐集、整理、分析和解釋飛航所需的機場及航路之預測、預報、警報及顯著危害天氣資訊。他們是飛航安全背後的强力後援，全天候守視飛航情報區天氣變化及提供諮詢。

氣象資訊從哪來？來認識氣象觀測的好幫手們

要即時準確地進行氣象觀測，絕對少不了各種氣象裝備的幫忙！任憑氣象七十二變，氣象人員也能透過氣象觀測隨時掌握情況，確保航空安全。飛航服務總臺在各民航機場都有設置的自動氣象觀測系統（Automatic Weather Observation System，簡稱 AWOS），是一個多功能的好幫手。它可以觀測風向、風速、能見度、跑道視程、雲量、雲高、溫度等等各種項目，讓氣象人員可以用來進行機場天氣測報和航機管制作業。

飛機在起飛降落時，最擔心遇到增加飛行難度的風切（Wind Shear）。風切指的是大氣中不同兩點之間，風速或風向的劇烈變化。低空風切（Low-level wind shear）則是指 1600 呎（500 公尺）以下空氣層中的風切，可能造成飛機難以操控而被迫重飛，甚至失速導致飛航事故，因此需格外注意。

針對棘手的風切問題，氣象臺在松山機場和桃園國際機場設置了 低風切警報系統（Low Level Wind-Shear Alert System，簡稱 LLWAS），利用機場周邊沿跑道兩側及跑道延伸線外之多個 20 公尺以上測風塔進行風場觀測。當風場變化達到風切發生條件時，系統立刻就會透過文字、圖形和聲音等警告資訊，提醒氣象觀測員及塔臺管制員，發布風切警報警示進場和離場的機師做好因應措施。

1985 年在桃園國際機場架設的都卜勒氣象雷達（Doppler weather radar），長得就像一個巨型氣球，是當時全亞洲首座供作業用的 C 波段氣象雷達，掃描範圍可達 300 公里。它就像個盡責可靠的氣象觀測員，負責台灣北部機場和附近航路天氣的即時監測與預警，可以掌握劇烈天氣如颱風、雷雨、風切和亂流等天氣現象的發展和移動，提供資訊給飛航相關人員作業參考，確保飛行安全。

「有字天書」——航空氣象報告内容大解密！

如果你拿到一份航空氣象報告，恐怕會以為這是一串亂碼。由各種英文字母縮寫和數字組成的航空氣象電碼，其實有著國際規範的通用格式。只要懂得解讀，就會發現裏頭包含了風向、風速、能見度、雲層狀況、溫度露點及氣壓等多項氣象資訊。按照其用途，航空氣象報告可以分成不同的類型，以下簡單介紹其中幾種。

依照機場的作業規模，航空氣象臺會每半小時或每小時發布機場例行天氣報告（Meteorological Terminal Aviation Routine Weather Report，簡稱 METAR），供飛行員和航管員使用來評估該地區當前的天氣狀況。當天氣變化達特定條件時，則會發布機場特別天氣報告（Aviation Special Weather Report，簡稱 SPECI）。另外，觀測員也會發布未來 2 小時天氣預報，提供航機進行作業因應規劃。

若需要預測更長程的天氣變化，臺北航空氣象中心也會每天四次更新機場預報（Terminal Aerodrome Forecasts，簡稱 TAF），其有效時間長度分為 30 小時／24 小時／18 小時等三類，讓航空公司可以用來擬定航班飛行計劃，作為航機調度、載重、油料和旅客安排的參考。

安全至上！如何從惡劣天氣中全身而退

在航空業中，天氣變化不只是出門要記得帶傘這點程度的不便，更會影響航班的安排規劃。如果預計會有暴雨或風暴，航空公司可能會取消或延誤航班，以確保乘客和機組人員的安全。當風速和風向發生改變，機師也可能需要改變飛行路線和高度，以大大降低航程的風險。

但你是否也有過類似經驗：明明天氣很好，來到機場卻遇上航班延誤的消息，而感到困惑不解？這些讓旅客滿肚子哀怨的情況，其實也都是為了安全考量，所作的因應安排。因為即使機場所在地的天氣肉眼可見的良好，並不代表機場適合起飛降落。

例如飛機降落前到達一定高度時，機師必須完全看得見跑道及地面狀況，覆蓋在機場起降航道附近的低雲、雷雨區，都可能造成能見度下降，造成飛機不能按時降落。飛行時，若航路前方有雷雨天氣，基於安全考量，機師通常會繞過或飛越，也就增加了航行時間導致班機誤點。靠山邊的機場如蘭嶼機場，常因地形產生風切亂流，導致飛機降落困難，不得不重飛或返航，延誤航班。

此外，同樣是飛往某地的航班，也可能發生有些能走，有些卻被告知走不了的情況。這是因為航機機型大小不同，適航標準也不同。即使是相同的機型，也會因駕駛員的證照類別、航空公司所訂的安全標準之差異，綜合機場條件、天氣和駕駛員對航機狀態的判斷後，對班機行程做出不一樣的決策。

氣象服務網與 APP 在手，航空氣象即時就有

飛航服務總臺也緊跟時代脚步，建設各項線上即時的氣象資訊服務，包括「航空氣象服務網」和「航空氣象資訊 APP」。航空氣象服務網主要讓航空公司簽派員、飛行員及航空相關人員申請註冊使用，以查詢全球各主要機場即時天氣測報及預報資料。在網站首頁，也有機場即時天氣資料、台灣地區機場適航狀態、即時衛星雲圖等資訊，開發讓一般民衆查詢。

航空氣象資訊 APP 也應行動裝置普及誕生，可供航空從業人員下載使用。一般民衆也能透過 APP 取得全球各大機場即時天氣資訊、東亞地區衛星雲圖及臺灣地區雷達回波圖等資料。

【註解】

1. 任務臺業務分別由豐年 （業管蘭嶼、綠島）、高雄（業管恆春）、松山（業管北竿）及桃園（業管南竿）航空氣象臺負責管理。

參考資料

1. 飛航服務總臺：航空氣象服務介紹
2. 飛航服務總臺：臺北航空氣象中心
3. 飛航服務總臺：氣象裝備
4. 台灣飛安統計（2012 – 2021）。國家運輸安全調查委員會。
5. 飛航服務總臺：桃園機場都卜勒氣象雷達介紹
6. 航空氣象服務網
7. 「2020 飛航解密 暢遊天際」系列講座 – 臺北航空氣象中心主任余曉鵬精彩演講內容
8. Wikipedia – 航空例行天氣報告
9. Wikipedia – 終端機場天氣預報

本文由 我的青航時代－2023航發會×暑期航空營 委託，泛科學企劃執行。

「緊急緊急，這裡是全美航空 1549 航班，遭到鳥擊，雙引擎失去推力，正要返回拉瓜地亞機場（LaGuardia Airport）……」這是美國空難電影〈薩利機長：哈德遜奇蹟〉中，機師緊急向塔台呼救的台詞。

〈薩利機長：哈德遜奇蹟〉改編自 2009 年 真實發生的「全美航空 1549 號班機事故」。事件當下 1549 號班機遭受鳥擊，在來不及抵達最近機場的情況下，最後緊急迫降在哈德遜河面，幸好全機無人傷亡。直至今日，你都能在網路上找到當時飛機迫降前與塔臺最後的對話。

等等……這些對話是怎麼被保留下來的呢？

這個秘密就藏在飛機尾段的「黑盒子」裡。

為什麼要有黑盒子？黑盒子的研發歷史

你常聽到在空難事件後，眾人的焦點都在搜尋「黑盒子」。「空難」成為一般人對「黑盒子」的第一印象，它的出現可以說是 20 世紀改善飛行安全的重要發明。

最初為了要記錄飛機的飛行變化，例如1939 年的法國馬里尼亞納試飛中心，以及1942 年的芬蘭航空的工程師 Veijo Hietala ，他們都曾運用照相機原理，以滾動式照相機的感光底片，記錄飛機的高度與速度的變化。

但他們都無法解決如何在當飛機失事後，保存資料的問題。這個大問題，挑戰著全歐洲工程師們的腦神經。

直到 1953 年，由澳洲科學家大衛·沃倫（David Warren, 1925－2010），做出劃時代的突破！

原本在航空研究實驗室（ARL）擔任火箭研究員的他，受到上級指派，負責了解為何英國哈維蘭航空公司所推出哈維蘭彗星型噴氣式客機（British de Havilland Comet jet）會接連失事。這場調查對大衛也別具意義，因為他的父親也是在 19 年前的空難中離世。

但如何破解，卻是一個大問題。正當大衛傷透腦筋時，沒想到小組同事隨口說最新墜機事件的原因可能是因為劫機，他靈機一動想到「要是能將飛機上的對話錄下來就好了」。因此他藉著父親留給他的收音機組裝件，利用類似於錄影帶的運作原理，發明了黑盒子的雛形「ARL Flight Memory Unit」，可以記錄約 4 小時的聲音，以及 8 項飛航資料。

然而，這項發明在澳洲一開始並沒有受到重視，甚至引來飛行員的抗議，認為這有監聽機上人員的疑慮，但也有人從中看出了這項發明的重要性。1958 年，英國航空管理局的秘書長直接到實驗室找大衛，並邀請他帶著發明一起來英國發展，之後也正式應用在英國的民航機上。

為了能在飛機失事後迅速被找到，生產公司其實將裝置盒子塗成亮橘色。但在一場 BBC 與大衛的訪談時，記者誤用電子裝備的統稱「黑盒子」介紹這具裝置。

「黑盒子」也就成為最廣為人知的暱稱。

黑盒子在記錄什麼？

黑盒子的真式名稱為「飛行紀錄器」，全名就寫在它亮橘色的外殼上，「FLIGHT RECORDER DO NOT OPEN」（飛行紀錄器，不要打開）。只有當飛機失事時，調查人員會將它打開。

它的內部主要分為兩個部分：飛行資料紀錄器（FDR）以及座艙通話紀錄器（CVR）。飛行數據紀錄器記錄飛行數據，例如飛行高度、速度和位置等。座艙通話紀錄器則會記錄駕駛員和機組人員的對話，以及飛機內部的所有聲音。各國規定，飛行期間不能關閉飛航資料紀錄器。唯有在航空器失事、重大意外發生後，必須立即關閉飛航紀錄器。而在取出紀錄前，不得再開啟黑盒子，以免對話遭到洗掉。

當飛機發生事故後，調查與維修人員等相關人員能透過黑盒子的數據，幫助找出事故原因，針對問題持續加強飛機設計或人員訓練等，降低飛機飛行的各項風險。黑盒子本身也歷經四代的改良後，更利於它在各種極端的情況下還能夠運作。現在它不僅更耐高溫與抗壓，還可以承受 3400 公斤的重力加速度，相當於一臺小型貨車的重量。除此之外，它更發展出水下定位的發報器與影像紀錄器，可以記錄艙內的影像。

確保它的運作：黑盒子的檢測與維護

黑盒子既然與飛行安全緊密相關，那麼又是多久需檢測與維護呢？

根據我國「航空器飛航作業管理規則」中，提到黑盒子每五年需至少重新校準一次。另外，當高度及空速之參數是飛航資料紀錄系統所專屬的感應器所提供時，應依據其製造廠家的建議重新校準，或每二年執行一次校準。

座艙通話紀錄器則與飛航資料紀錄器其他裝置，如有裝設內建測試功能時，應列為每天第一次飛行前的檢查項目。

黑盒子的法規與國際標準

1947 年，聯合國「國際民航組織」（ICAO）成立，為了管理與發展世界民用航空業務，每三年集會一次並召開理事會，制定相關規定。除此之外，它也會針對全球層級之航空事故，以中立身分進行跨國調查。

在國際法規上，由 52 個國家立定的《國際民用航空公約》針對任何有關空領域、航空器安全等制定，是具有法律效益的國際公約。其中也包含 18 條附約，規範航空器相關的規定、規格、操作，以及搜索服務等。其中，與黑盒子有關的法規則集中在第 6 號附約「航空器之操作」，以及第 13 號附約「航空器失事及意外調查」。臺灣所制定黑盒子的法規，以及標準都是從此而來。

臺灣在 1987 年跟進附約要求，規定當民航機「最大起飛重量（航空器起飛時所容許的最大重量）」超過 5,700 公斤時，就要安裝黑盒子。

在臺灣的「航空器飛航作業管理規則」中，規定每年都須進行年度檢查，確保紀錄器在記錄期間內能正常運作。

針對黑盒子的兩部分——飛航資料紀錄器及座艙通話紀錄器，則有各自不同的檢查方式。

飛航資料紀錄的年度檢查中，只要出現有一重要區間的資料品質不佳，信號不可理解，或其中一項或多項主要之參數未被正確記錄。這些都會將飛航紀錄系統視為不可用。另外在民航局要求下，年度檢查報告應隨時能夠提供飛航資料紀錄作為監視之用。

座艙通話紀錄器的年度檢查，會以重新播放所記錄信號之方式實施。當裝置於飛機上時，座艙通話紀錄器應記錄來自每一個信號源及相關外部信號源之測試信號，以確認所有必要之信號達到可辨識的標準。

結語

2014 年 3 月 8 日凌晨，一架從馬來西亞的吉隆坡前往北京的馬航 MH370 航班，起飛後失去聯繫後，至今仍下落不明。

這起事故引發大眾對黑盒子的討論，也因此有廠商針對飛機下落不明的情況，提出增加即時資料傳輸的設計。但這項提議仍存在著侵犯機組人員隱私，以及不信任飛行的爭議。

在黑盒子問世之後，人們藉由黑盒子的紀錄，得以逐漸增強飛航的安全性，使失事率急速下降。時至今日，加強黑盒子可用性的同時，也必須維持機組人員的隱私，如何取得兩者間的平衡或許是黑盒子的下一個發展重點。

參考資料

1. 行政院安全飛行委員會，飛航紀錄器法規與調查實務與調查實務
2. 科技大觀園，「黑盒子」其實不是黑色——揭開飛行紀錄器的秘密
3. BBC NEWS，「黑匣子」：誰發明了飛行記錄儀？
4. BBC NEWS，馬航 MH370：為什麼黑盒子不一定給出答案？
5. 官文霖（Wen-Lin Guan）、 陳沛仲（Pei-Chung Chen），國籍民用及公務航空器之飛航紀錄器普查與建議，《航空安全及管理季刊》，4 卷 2 期，頁133-144。
6. 歐文翻譯，瞭解國際民航組織，《飛行安全春季刊》，2013，頁 60－66。