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第1 章飛行原理
第1.1 節垂直飛行概述
1.1.1 垂直起降和短距離滑跑起飛飛行器（V/STOL）
垂直起降和短距離滑跑起飛飛行器是指具備垂直起降或短距離滑跑起飛和著陸
的飛行器，英文縮寫為V/STOL。這種飛行器的空氣動力學原理主要側重于在低速前
飛時升力的產生，對于任何飛機來說，其實都可以通過增加機翼面積的方式來實現
低速起飛和著陸。但這不是我們要敘述的“短距離滑跑起飛飛行器”，因為這樣的話
其巡航性能將受到影響。因此，我們所指的“短距離滑跑起飛飛行器”具有一些特
殊的裝置以實現低速度時產生升力。“升力”是指飛行中為保持飛行器在空中飛行所
需的垂直向上的力，它也可能是常規的垂直向上的力和前飛所需的推進力的合力。
燃氣渦輪發動機的相對重量較小，它的應用使得該種飛行器得到了迅速的發展，
其推力重量比也超過了1。
1.1.2 垂直起降和短距離滑跑起飛飛行器的種類
對于垂直起降和短距離滑跑起飛的飛行器，產生過許多的設計思想，大多數的
設計都著重突出如何克服飛行器前飛速度的限制。這種限制主要來自于當前飛速度
超過200 節（kts）時，后退槳葉氣流流過旋翼槳葉表面而導致旋翼失速。
a) 自轉旋翼機（AUTOGYRO）
這是世界上最早的可飛行的旋轉機翼飛行器（Ciera C4—1923 年），機上裝有
常規的發動機和螺旋槳用于產生前進力以及一個無動力可以自由轉動的機翼。它不
是一種直接垂直起降的飛行器，它需要一定的前飛速度來產生升力。前飛時槳盤向
后傾斜，升力方向向上。這種飛行器的最初設計構想是為了在低前飛速度時提供較
好的安全性。
b) 直升機（HELICOPTER）
自1937 年第一次試飛成功以來，直升飛機成為應用最廣泛的垂直起降和短距
離滑跑起飛的飛行器，它是第一種可以垂直起降的飛行器，同時也是最有效的可懸
停的飛機。升力、前進力、操縱完全由旋翼系統來實現，屬于低速飛行器。
c) 復合飛機（COMPOUND AIRCRAFT）
復合飛機是直升機和固定翼飛機的綜合體，在前飛狀態時，升力由機翼產生，
旋翼卸載，因而可以產生較大的前飛速度，通常還可以通過使用螺旋槳或發動機噴
氣產生更大的前動力。
d) 傾斜翼飛機（TILT WING）
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傾斜翼飛機是將螺旋槳/旋翼整體旋轉，旋轉角度可以達到90 度而機身仍保持
水平，使處于螺旋槳/旋翼氣流尾部的機翼不會發生失速。
1.1.3 直升機的種類
a) 雙槳縱列式直升機
這種直升機具有兩個主旋翼軸，分別安裝在機身的前端和后端，兩個旋翼
軸的葉片轉動方向相反，其反扭矩互相抵消。
b) 雙槳橫列式直升機
同樣有兩個主旋翼軸，安裝在機身兩側，兩旋翼轉動不一定互相嚙合，且
帶一定角度。
c) 共軸反槳式直升機
兩個主旋翼上下安裝在同一個主軸上，由一臺或兩臺發動機驅動。
兩個主旋翼轉動方向相反，可以互相抵消反扭矩，使機身不隨旋翼轉動。
d) 單旋翼直升機
最多見的直升機是只有一個主旋翼軸系統，另外在機身后部與主旋翼不同
平面內安裝一尾槳系統用于平衡因主旋翼轉動引起的反扭矩，同時尾槳還
可以用于實現直升機的方向操縱。
1.1.4 直升機類型的比較
單旋翼直升機是最常見的直升機，它的主要優點是設計和制造簡單，只需一套
操縱系統和減速傳動系統。但需要安裝尾槳來平衡主旋翼產生的反扭矩，且尾槳還
要消耗一定的功率（通常懸停時占8-10%，平飛3-4%）。另一個缺點是尾槳安裝在遠
離飛行員的后部，存在受地面障礙物影響和容易傷人的危險性。近年來“涵道尾槳”
和“NOTAR”裝置的應用大大改善了上述兩個缺點。
共軸反槳式直升機由于兩個主旋翼轉動方向相反，可以互相平衡反扭矩，另外
由于采用的是兩個主旋翼從而減小了主旋翼槳葉尺寸；缺點是結構和操縱變得相當
復雜，使重量增加。
雙槳橫列式直升機的優點是前飛時功率損失小，缺點是迎風面積大，阻力大，
結構重量增加，傳動和操縱復雜。
雙槳縱列式直升機的優點是迎風面積小，阻力小，飛機重心范圍大，有效載荷
可平均分配到兩個主旋翼上。缺點是后主旋翼由于可能受前主旋翼氣流影響而使升
力效率減小，解決辦法是將后主旋翼的安裝平面升高。其它的缺點與橫列式相同。
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圖1-1 直升機種類
1.1.5 直升機與固定翼飛機的比較
直升機與固定翼飛機相比有著許多根本性的不同點，其中主要的不同之處是四
個基本力中的升力、推力和阻力的產生方法不一樣。
兩種飛機都必須有能夠在空氣中運動的機翼才能產生升力，固定翼飛機的機翼
與機身安裝在一起，因此要想使飛機起飛必須使整個飛機運動產生足夠的速度。升
力由運動的翼型產生，要改變升力的大小，則必須改變翼型與相對氣流之間的攻角，
在固定翼飛機上，要想實現改變攻角必須通過改變機身沿橫軸的俯仰角的大小。
而直升機升力的大小可通過改變槳葉的迎角來實現，不必改變機身的姿態。
直升機和固定翼飛機在飛行中都受到四個力的作用，圖1-2 是飛機在飛行中的受力
圖，其中升力與重力相等，推力與阻力相等，因此可以說此時飛機是以不變的姿態
勻速運動。
圖1-3 則與固定翼飛機不相同，因為圖中只有升力和重力，沒有推力和阻力，
對于直升機來說，此時說明飛機是在空中，處于懸停狀態。
圖1-2 固定翼飛機受力分析圖1-3 直升機受力分析
升力
阻力
重力
推力
升力
重力
單旋翼直升機
雙槳縱列式直升機
共軸反槳式反槳直升機雙槳橫列式直升機
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1.1.6 術語
以下是在本課程經常出現的主要技術術語：
槳盤面積（DISC AREA）：槳葉轉動時葉尖形成的圓周面積
葉尖旋轉平面（TIP PATH PLANE）：所有槳葉轉動時葉尖形成的平面
槳盤負載（DISC LOADING）：直升機起飛重量與槳盤面積的比值
葉片負載（BLADE LOADING）：直升機起飛重量與所有葉片面積和的比值
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