作者：布萊恩．克雷格（Brian Clegg）
出版社：晨星出版有限公司
出版日期：2015年5月1日

文／白榮銓
 

乘坐飛機旅行時，機場的安全檢查系統、旅行者血栓症（traveler’s thrombosis）的形成、惱人的時差、飛機的導航系統、機翼的變換動作、機窗外的雲層變化、以及地面上迷人的碎形（fractal）， 這些從機場、機艙到機窗外的所見所聞，常帶給旅客許多的驚奇和疑問，到底在航空旅途中，還有那些相關的科學現象？這些現象隱含的科學原理是什麼？

本書作者英國知名科普作家布萊恩‧克雷格（Brian Clegg, 1955-）， 擁有劍橋大學自然科學的學士學位及蘭卡斯特大學（Lancaster University）作業研究operations research，又稱運籌學）的碩士學位，曾為《自然》（Nature）、《衛報》（The Guardian）等多家媒體撰寫專欄與評論，同時是多本科普暢銷書作者。本書共分為七部分，作者介紹及解析搭飛機旅行過程中，「機場、天空、地面景致、雲之上、機艙人生、飛行時的科技、回到地球」等階段相關的科學原理與奧秘。

金屬探測安檢門
在機場安檢作業上，通常以金屬探測安檢門，對旅客作大範圍篩檢，或以掌上型金屬探測器，對可疑旅客進行複檢。到底金屬探測器的工作原理是什麼？除了安檢，還應用在那些領域？
1881 年7 月2 日，第20 任美國總統加菲爾德（James Garfield, 1831-1881） 遭到謀官未成、心懷忿恨的刺客，於背後開槍暗殺，子彈深入體內，為了幫忙外科醫生定出子彈的位置，美國發明家和企業家貝爾（Alexander Bell, 1847-1942） 發明了金屬探測器，這是一種電磁裝置，他稱之為「感應平衡器」（induction balance）。雖然金屬探測器可以正常工作，就是定不出子彈的位置，原來貝爾不知道加菲爾德躺在螺旋彈簧床墊上，而當時的彈簧床墊也是新發明之一，螺旋彈簧線圈干擾了金屬探測器，產生許多假信號。貝爾稍後的改良型金屬探測器，讓醫生於戰時挽救了許多生命，直到X 光機發明為止。
1920 年代末， 美國工程師費舍爾（Gerhard Fisher, 1899-1988） 發明了「飛機無線電測向儀」（aircraft radio detection finders），飛行員發現：如果在發射器和接收器之間出現金屬物體，或當他們飛經某些地域時，方向就會出現錯誤。費舍爾研究發現這些錯誤，是由於高導電、礦化物（highly conductive, mineralized substances）所導致的結果。於是費舍爾利用同樣的原理，開發一種可攜式電子探勘儀器，用來檢測埋藏在地下的金屬物體和地下礦床（ore deposits）。
1931 年， 費舍爾在加州帕洛阿爾托（Palo Alto, California）住家的車庫裡，成立了研究實驗室，並發明了易於使用的金屬探測器， 他稱之為metalloscope（ 簡稱M-Scope）， 並取得專利。金屬探測器被廣泛應用於各領域，例如礦產業者用它來檢測和發現自然金屬顆粒，尋寶者用它來探測埋藏在地下和古墓的金屬物品，公用事業公司用它來探測地下的金屬管道，伐木廠用它來檢測原木是否有金屬內含物，執法部門用它來探測隨身攜帶和隱藏的武器，軍事上用它來探測金屬地雷，工業上用它來監測食品是否有金屬雜物。
金屬探測器使用的技術有三種，分別是甚低頻（very low frequency， 縮寫VLF）、脈波感應（pulse induction，縮寫PI）、差拍振盪器（beat frequency oscillator，縮寫BFO）。大多數機場的金屬探測門都是使用脈波感應，做法是在金屬探測門的一側，裝設單個線圈，扮演發射器（transmitter） 和接收器（receiver）的雙重角色，如果向線圈輸送強大且短脈波的電流，則每一次脈波都會產生一個瞬時磁場。脈波結束後，磁場極性會反轉，然後迅速衰減，產生一個急遽上升的「尖峰脈衝」（spike）；這一尖峰脈衝可持續幾個微秒（microseconds），並導致線圈上產生另一電流，這一電流稱為「反射脈波」，持續的時間約為30 微秒；隨後線圈再發射另一個脈波，並重複上述過程。以PI 為基礎的金屬探測器，通常每秒發送約100 個脈波，但此數字可因生產商和產品型號的不同而有很大變化，每秒發送的脈波數約25 ∼ 1,000。
如果有金屬物體通過金屬探測器，脈波會在該物體內部形成反向磁場，延長了反射脈波從衰減到消失的時間，這一過程的原理有些類似於回聲現象；如果在一間只有幾面硬壁的房間內叫喊，只能聽到短暫的回聲，甚至根本聽不到回聲；但如果在一間都是硬壁的房間內叫喊，回聲持續的時間就會延長。PI 金屬探測器中，目標物產生的磁場加強了反射脈波的「回聲」，使得它持續的時間要比沒有「回聲」時略長一些。
金屬探測器中的抽樣電路（sampling circuit） 被設置來檢測反射脈的時間長短，比較「實測時間」與預期時間的長短，就能判定是否存在另一個磁場，延緩了反射脈波的衰減；當反射脈波的衰減時間，比平常情況多出幾個微秒，就可能是金屬物體干預了反射脈波。抽樣電路將它所監測到的微弱信號，傳送給積分器（integrator）， 積分器會讀取從抽樣電路傳來的信號，將其放大並轉換為直流電， 連接至聲頻電路（audio circuit） 並發出聲音，而金屬探測器就是利用聲音，做為發現目標物的指示信號。（ 請參考How Airport Security Works：http://science.howstuffworks.com/transport/flight/modern/airport-security3.htm）
由上述可知，金屬探測器是利用電磁感應的原理，首先產生迅速變化的磁場，在金屬物體內部能感生渦電流，然後渦電流又會產生互動的磁場，反過來影響原來的磁場；最後由金屬探測器的電路讀取信號，經過相關處理後，發出鳴聲或使儀表指針發生轉動。

導航及飛航交通管制
飛機要維持正確的航向， 需經常測定現在的位置， 以及瞭解到目的地的方向和距離， 隨著飛行科技的演變，從早期的地形導航、推測導航（dead reckoning navigation）、天文導航（celestial navigation），進而發展至無線電導航（radio navigation）。到底什麼是無線電導航？飛航管制人員如何掌握航機的航行動態？
無線電導航是利用地面無線電台發射無線電波，導引航機安全飛行及起降的「助導航」科技。高空航行的飛機，接收到地面上「極高頻全向導航台」（VHF omnidirectional radio range beacon，縮寫VOR）發射出108 ∼ 118MHZ 頻率的無線電波，飛機的駕駛，依據座艙內的無線電羅盤儀（radio magnetic indicator）儀表，可以判斷飛機相對於VOR 導航台的位置，並維持在設定的航道上。臺北飛航情報區（Taipei FIR）的航路上，在本島及外島的不同地點，共設有9 套「都卜勒特高頻多向導航台」（Doppler VOR），Doppler VOR 是第二代的VOR，能提供更好的信號品質及精確度。
提供航機定向指引的助導航科技，還有「全方位無線電導航台」（non-directional radio beacon，縮寫NDB），通常作為VOR的輔助設施。NDB 發射出190 ∼ 535MHZ頻率的無線電波，經由機上的自動定向儀（automatic direction finder） 接收， 提供駕駛修正航線的資訊；因為電波到來之方向就是NDB 的位置，故只要將機首對準並保持NDB 的方位，就能到達該NDB 的位置，其作用就像燈塔導引船舶的方式。供航路上之航機使用的NDB，稱為「歸航台」；配合機場降落系統使用的NDB，稱為「定位台」（locator）。臺北飛航情報區的航路上，在本島及外島的不同地點，共設有10套歸航台和13 套定位台。
為了維護航機的飛行安全，並保持空中交通的秩序與暢通，航空交通管制（airtraffic control） 必須實施區域管制（area control）、終端（又稱近場）管制（terminal approach control）及機場管制（airport control），這些飛航管制仰賴「航管雷達」系統，航管雷達依據涵蓋需求，可區分為長程雷達（long range radar）及終端雷達（terminal radar） 兩種。長程雷達用於航路管制使用，涵蓋距離約為250 浬；終端雷達用於終端管制使用，涵蓋距離約為60 浬。
當飛機上的詢答器（transmitting-responder，縮寫transponder）接收到航管雷達的訊號時，它會將航機距離、方位、高度及航機代碼等資訊，傳送給飛航管理系統，顯示於雷達幕，以便飛航管制人員能夠掌握航機動態，引導航機安全飛行、降落和起飛。
除此之外，機場設有「機場場面搜索雷達」（surveillance movement radar） 系統，一般稱為「機場場面偵測裝備」(airport surface detection equipment)，主要用於搜索機場範圍內之地面滑行航機和移動車輛之動態，以提供機場塔臺管制員執行飛航管制之參考。
由於航空空運的快速成長，為了降低飛航成本及提高飛航效益，相較於傳統的「航管雷達」系統，現已有更精確可靠的「廣播式自動回報監視」（automatic dependent surveillance -broadcast， 縮寫ADS-B）系統。配置有ADS-B Out 的航機，利用全球導航衛星系統（global navigation satellite system）來確認航機位置，然後將現在位置、識別資訊、航行高度及速度等資訊，每半秒自動向外播送1 次，當地面站接收到航機播送之訊息，立即傳送給飛航管理系統，並將其顯示於管制員之顯示幕。臺北飛航情報區的航路上，在本島及外島的不同地點，共設有9 套廣播式自動回報監視系統。
只要有ADS-B 接收器，就可以接收到附近航機的訊號，瞭解附近航機的動態，例如Flightradar24（http://www.flightradar24.com/） 和Planefinder https://planefinder.net/）網站，就是藉由在世界各地布署的ADS-B 接收器，主動記錄全球各班機的航跡，呈現在網站上，只要輸入機場名稱或航班代號，就可以查詢到該機場或航機目前的位置或飛行動態。
由上述可知，「無線電導航」是航機接收地面「極高頻全向導航台」和「全方位無線電導航台」系統的信號，導引航機正確安全地飛抵目標；航管雷達、機場場面偵測裝備和廣播式自動回報監視系統，讓飛航管制員在地面監看航機動態，協調、指揮空域或機場內不同航機的航行路線，以確保地面機場或空中交通皆能有秩序地運作順暢。

機翼的構造與功能
飛機在飛行時，外表任何部份都可產生升力（lift），但主要的升力來自機翼，到底機翼受到的升力是如何產生的？機翼的構造為何？各具有那些功能？
因為空氣是順著機翼表面上方的曲線，「向下」流經機翼，所以流動的空氣具有加速度，而且加速度的方向也是「向下」，表示機翼對空氣產生「向下」的作用力；而空氣也相對地對機翼施以大小相等、方向相反的反作用力，故機翼受到「向上」的升力。（請參考Lift from flow turning，https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/right2.html）
機翼下方有數支流線型的滑軌延伸支桿， 稱為襟翼滑軌整流罩（flap track fairing），它們可以控制襟翼（flap）的伸縮，當飛機起飛或下降時，安裝在機翼後緣的襟翼，將隨著襟翼滑軌整流罩後退且下偏（圖1），使得機翼面積增大，並改變了機翼向下偏的角度，目的是增大升力，但也增大了阻力。起飛時，伸展襟翼，襟翼向後下方的偏角較小，主要是增加升力的作用，以利於飛機加速起飛；升空到達安全高度後，收起襟翼，減少阻力，以利高速巡航；降落時，全面伸展襟翼，襟翼向後下方的偏角較大，可以使飛機的升力和阻力同時加大，以利於降低著陸速度。

圖1　 降落前，襟機隨著滑軌整流罩伸展並下偏。（圖片來源：Wikimedia Commons）

擾流板（spoiler）是安裝在兩側機翼的減速裝置，在飛行過程中升起，可以減緩速度並降低高度；飛機降落滑行時，向上升起擾流板（圖2），增加阻力，以便降低滑行速度，縮短滑行距離。副翼（aileron）是一對可活動的翼面，安裝在兩側翼梢的後緣，幫助飛機在水平方向轉彎；若左邊副翼下偏，右邊副翼上偏，則流動空氣對兩邊副翼造成的力矩，將使機身繞著縱軸向右旋轉（圖3）；若左邊副翼上偏，右邊副翼下偏，則飛機向左旋轉。

圖2　 降落滑行時，擾流板及襟翼的位置。（圖片來源：Wikimedia Commons）

圖3　 副翼一上一下，可使機身發生旋轉。（圖片來源：Wikimedia Commons）

翼翹（winglet）是在兩側翼尖上的小翅（ 圖 4），當空氣流經機翼上、下表面時，會形成壓力差，產生升力；亦即機翼下表面的壓力大，上表面的壓力小，因此在翼尖的地方，就會出現下表面壓力大的氣流，向上表面壓力小的區域流動之現象， 從而在翼尖形成渦流（vortex）， 增大了飛機的阻力，這種阻力稱為誘導阻力（induced drag）。在翼尖裝設小翅之後，阻斷了上繞氣流，使渦流減弱，因而減小了飛行阻力，達到節約油耗、降低飛行成本的目的。

圖4　翼翹。（圖片來源：Wikimedia Commons）

由上述可知，飛機仰賴主翼和襟翼提供主要的升力，但要全面操縱飛機，仍須仰賴主翼上的擾流板、副翼和翼翹，以及飛機尾部的水平安定面、升降舵、垂直安定面和方向舵等，作為輔助設施。
綜合上述，金屬探測安檢門的運作，牽涉到電與磁的交互作用；導航及飛航交通管制，應用了無線電波、雷達及全球導航衛星系統；飛機由滑行、升空到降落，呈現出機翼各部分的構造及變化。至於機場跑道怎麼編號？什麼是慣性導航系統？高空飛機外頭有生命嗎？為什麼起飛與降落時，兩台飛機之間要拉長間隔？⋯⋯等其他相關問題，這些都有待您進一步的閱讀與思考！

白榮銓　臺中市立居仁國中退休教師