直升機

直升機或直升飛機是一類由水平旋轉的動力旋翼提供向上升力和飛行推進力的飛行器，是旋翼航空器的主要種類。直升機具有大多數固定翼飛機所不具備的垂直起降、懸停和隨意向前、向後或側向飛行的能力，這些特點使得直升機在很多狹窄、崎嶇、缺乏跑道的複雜環境下有許多優勢。與固定翼飛機相比，直升機的缺點是速度低、耗油量較高、航程較短、載重較少。

## 飛行原理

直升機旋翼產生升力的原理與固定翼飛機的機翼相似，通過翼剖面與空氣發生相對運動使得旋翼產生上弱下強的氣壓差，進而產生升力並通過旋翼的主軸傳遞給機身，使其可以克服重力實現飛行。和固定翼飛機的機翼一樣，直升機旋槳能夠產生的升力大小取決於氣流速度和其槳葉水平投影面積的總和；但直升機不像固定翼飛機那樣必須依賴整個機體的向前運動才能讓機翼產生氣流，而是依靠翼片的旋轉產生與空氣的相對運動。但旋翼在提供升力的同時也會產生反扭矩（與旋翼的轉動方向相反、角動量相等的反作用扭矩）並傳遞到機身上，這使得最為常見的單旋翼直升機在浮空時會向著旋槳相反的方向自旋。為了平衡反扭矩，直升機需要在機尾位置產生一個與旋翼方向相同、角動量相等的水平旋轉推力抵消反力矩，最常見的做法是在機尾末端安裝一個垂直的小型螺旋槳（即尾槳）提供推力。而雙旋翼和多旋翼直升機多採用讓反向旋轉的旋翼之間的扭矩相互抵消的方法來清除反扭矩，並可以利用各個旋翼的轉速差別來改變飛行狀態。在附圖的運作說明中可以見得，由上俯視一個逆時針旋轉的主翼，它的尾槳會是向黃色箭頭所指方向推力的。

直升機和自轉旋翼機的外觀相似，但是飛行原理和性能並不同。自轉旋翼機的發動機只驅動尾部的螺旋槳提供前進推力，主旋槳並沒有動力源，必須依賴向前運動時的相對反向氣流才能被動旋轉產生升力。自轉旋翼機雖然構造比較簡單和低價也可以做到短程起降，但完全沒有垂直起降、懸停、隨意側飛和倒飛的能力，不如直升機的性能廣泛，是介乎於固定翼飛機和直升機中間的一種對跑道要求較低的飛行器。用途較狹而專業化的航空機構通常擁有直升機，但鮮有採用旋翼機。

## 歷史

人類夢想的飛行方式是原地騰空而起，既能自由飛翔又能懸停於空中，並且隨意實現定點著陸。例如阿拉伯人的飛毯，希臘神的戰車，都是垂直起落飛行器。其中最有價值、最具代表性的是中國古代玩具竹蜻蜓和義大利人達·文西關於垂直起降航空器的畫作。

李約瑟誤以為中國晉朝葛洪所著的《抱朴子》有紀錄類似竹蜻蜓最早的動力機械，但實際上文章說的是服丹修練成仙成功時，人可以飛行《抱朴子》：「若能乘蹻者，可以周流天下，不拘山河。凡乘蹻道有三法：一曰龍蹻、二曰虎蹻、三曰鹿盧蹻。或服符精思，若欲行千里，則以一時思之。若晝夜十二時思之，則可以一日一夕行萬二千里，亦不能過此，過此當更思之，如前法。或用棗心木為飛車，以牛革結環劍以引其機，或存念作五蛇六龍三牛交罡而乘之，上升四十里，名為太清。」。

《簡明不列顛百科全書》第9卷寫道：「直升機是人類最早的飛行設想之一，多年來人們一直相信最早提出這一想法的是達·文西，但現在都知道，中國人比中世紀的歐洲人更早做出了直升機玩具。」這種玩具於14世紀傳到歐洲。「英國航空之父」喬治·凱利（1773年－1857年）曾製造過幾個竹蜻蜓，用鐘錶發條作為動力來驅動旋轉，飛行高度曾達27米。

隨著生產力的發展和人類文明的進步，直升機的發展史由幻想時期進入了探索時期。歐洲產業革命之後，機械工業迅速倔起，尤其是20世紀初汽車和輪船的發展，為飛行器準備了發動機和可供借鑑的螺旋槳。經過航空先驅者們勇敢而艱苦的創造和試驗，1903年萊特兄弟（Wright brothers）製造的固定翼飛機飛行成功。在此期間，儘管在發展直升機方面，航空先驅們付出了相當的艱辛和努力，但由於直升機技術的複雜性和發動機性能不佳，它的成功飛行比飛機遲了30多年。

20世紀初為直升機發展的探索期，多種試驗性機型相繼問世。試驗機方案的多樣性表明了探索階段的技術不成熟性。經過多年實踐，這些方案中只有縱列式和共軸雙旋翼式保留了下來，至今仍在應用。雙槳橫列式方案未在直升機家族中延續，但在傾轉旋翼飛機中得到了繼承和發展。

俄國人尤利耶夫另闢捷徑，提出了利用尾槳來配平旋翼反扭矩的設計方案並於1912年製造出了試驗機。這種單旋翼帶尾槳式直升機成為至今最流行的形式。

經過20世紀初的努力探索，為直升機發展積累了可貴的經驗並取得顯著進展，有多架試驗機實現了短暫的垂直升空和短距飛行，但離實用還有很大距離。

飛機工業的發展使航空發動機的性能迅速提高，為直升機的成功提供了重要條件。旋翼技術的第一次突破，歸功於西班牙人Ciervao，他為了創造「不失速」的飛機以解決固定翼飛機的安全問題，採用自轉旋翼代替機翼，發明了自轉旋翼機。旋翼技術在自轉旋翼機上的成功應用和發展，為直升機的誕生提供了另一個重要條件。

1907年8月，法國人保羅·科爾尼研製出一架全尺寸載人直升機，並在同年11月13日試飛成功。這架直升機被稱為「人類第一架直升機」。1938年，年輕的德國人漢納賴奇駕駛一架雙旋翼直升機在柏林體育場進行了一次完美的飛行表演。這架直升機被直升機界認為是世界上第一種試飛成功的直升機。1936年，荷蘭福克公司在對早期直升機進行多方面改進之後，公開展示了自己製造的FW-61直升機，1年後該機創造了多項世界紀錄。

1939年春，美國的伊戈爾·伊萬諾維奇·西科爾斯基完成了VS-300直升機的全部設計工作，同年夏天製造出一架原型機。這種單旋翼帶尾槳直升機構型成為現在最常見的直升機構型。

20世紀40年代，美國沃特-西科斯基公司研製的一種2座輕型直升機R-4，它是世界上第一種投入批量生產的直升機，也是美國陸軍航空兵、海軍、海岸警衛隊和英國空軍、海軍使用的第一種軍用直升機。該機的公司編號為VS-316，VS-316A。美國陸軍航空兵的編號為R-4，美國海軍和海岸防衛隊的編號為HNS-1，英國空軍將其命名為「食蚜虻1」（Hoverfly 1），英國海軍將其命名為「牛虻」（Gadfly）。

到30年代末期，在法國、德國、美國和前蘇聯都有直升機試飛成功，並迅速改進達到了能夠實用的程度。其中德國的Fl 282直昇機和Fa 223 龍式軍用直升機，更被部分人認為才是真正最早期量產的直升機，但它們實際產量比較少。第二次世界大戰的軍事需要，加速了這一進程，促使直升機發展由探索期進入實用期，直升機開始投入生產線生產。到二戰結束時，德國工廠已生產了30多架直升機，美國交付的R5、R6直升機已達400多架。

20世紀的後半期直升機進入航空實用期，特別是越戰期間大量直升機部屬到戰場，戰後直升機的應用領域不斷擴展，數量迅速增加。

## 世界直升機日

每年八月第三個星期日被列為世界直升機日。

## 旋翼類型

### 單旋翼直升機

單旋翼直升機（monocopter或unicopter）是直升機的主要類型，使用單一的主旋翼（main rotor）產生升力，但因為角動量守恆的原因，必須配有一個反扭矩機制去抵消主旋翼旋轉造成的機體反向旋轉。

- 開放式尾槳（tail rotor）

最傳統常見的設計，由單一的水平旋翼負責提供升力，同時使用一個尾部一個小型螺旋槳（尾槳）做為反扭矩旋槳（anti-torque rotor）負責抵消主旋翼產生的反扭矩。

- 涵道式尾槳（ducted fan，又稱fenestron、fantail或fan-in-fin）

傳統尾旋翼的一個變種，用安裝在涵道式外殼內的風扇代替了外置開放式的尾槳，優點是安全性高、震動和噪音小，缺點是重量大、造價高、推重比相對較低等等。最早由歐洲直升機公司的前身南方飛機公司（後合併成為法國宇航公司）於20世紀60年代構思設計，首先出現在SA341瞪羚直升機上。現今歐直的許多機型，如EC120「蜂鳥」、EC130、EC135、AS365「海豚Ⅱ」系列等等，都是涵道式尾槳設計。除了歐直之外，美國流產的RAH-66「卡曼契」、俄羅斯的卡-60「虎鯨」、日本陸上自衛隊的川崎OH-1和中國的直-19直升機等也採用了涵道式設計。

- 推進式尾槳（pusher propeller）

一種罕見的設計，將尾槳不是採用橫向布局而是縱向布局，這樣的設計可以讓尾槳除了抵銷反力矩的功能外還附帶協助直升機推進的能力，與自轉旋翼機非常類似但其主旋翼仍有動力。但實際上因為尾槳的推力方向與主旋翼反力矩垂直，所以抵銷功能非常差，因此最終還是都用上了些其他設計如AH-56夏延直升機是保留了傳統橫向尾槳，又或者是如塞考斯基S-97襲擊者直升機、SB-1傲視者直升機和西科斯基 X2等使用了同軸反轉的雙主旋翼來抵銷。因為這種設計是結合了定翼機與自轉旋翼機的設計，所以也被歸納為複合直升機（Compound helicopter）的一種。

- 無尾槳（NOTAR，即no tail rotor）

最罕見的設計，是利用康達效應將機尾設計成圓柱形，使主旋翼產生的下降氣流部分產生轉向自動生成反力矩氣流，由於單靠這種氣流的力量不足完全抵銷主旋翼的反力矩且無法控制，因此還需要有輔助設計加強。麥道直升機公司（前麥克唐納道格拉斯直升機）的NOTAR系統例如MD520N直升機是採用在機尾設計一個360度旋轉向量噴嘴，將引擎的廢氣與散熱氣流可以控制噴出方向，藉此可以完全不靠尾槳來增減反力矩氣流或者是提供機尾升降的輔助力量。

- 涵道式尾槳例子：歐直EC-135
- 無尾槳例子：麥道MD520N

### 雙旋翼直升機

雙旋翼直升機（bicopter）使用兩個旋翼合作產生升力，可以用方向相反的旋轉互相抵消反扭矩，因此不需要在尾部安裝垂直旋槳。

- 縱列式（tandem）

兩個旋翼前後縱向排列，旋轉方向相反，多見於大型運輸直升機。例如美國波音公司CH-47「契努克」與皮亞塞基CH-21 馱馬/肖尼運輸直升機。

- 橫列式（transverse）

兩個旋翼左右橫向排列，旋翼軸間隔較遠，旋轉方向相反。例如納粹德國Fa 223 龍式軍用直升機與前蘇聯米里設計局Mi-12直升機。

- 傾轉式（tiltrotor）

橫列式的變種，在一對固定翼的末端裝有可傾轉的旋翼艙，垂直起降和懸停時用旋翼產生升力做正常的直升機飛行；全速向前時旋翼艙傾轉成水平，改由固定翼產生升力，可像螺旋槳飛機一樣飛翔。例如美國貝爾-波音公司的V-22魚鷹。

- 共軸式（coaxial）

兩個旋翼上下排列，在同一個軸線上反向旋轉。例如，前蘇聯卡莫夫設計局研製的卡-27直升機和卡-50攻擊直升機。

- 交錯式（intermeshing）

兩個旋翼左右橫向排列，旋翼軸間隔較小並且不平行，旋轉方向相反但是旋槳恰好處於對面旋槳的空隙之間。例如納粹德國Fl 282直昇機與Kaman公司K-MAX起重直升機。

- 縱列式代表：波音CH-47D
- 橫列式代表：米里Mi-12
- 傾轉式代表：貝爾-波音V-22
- 共軸式代表：卡莫夫Ka-27
- 交錯式代表：H-43卡曼公司雙旋翼交叉式直升機K-600

### 多旋翼直升機

多旋翼直升機（multicopter）使用三個以上的旋翼來產生升力，是民用無人航空載具的主流類型。最常見的設計是四旋翼直升機（quadcopter），有四個大小相同、分布位置接近對稱的旋翼來達到懸停、維持姿態及平飛。

- 小型四旋翼飛行器
- 大疆悟2無人機
- 大疆御Air 2無人機
- 六旋翼無人機

## 起落架

直升機的起落架分為滑橇式和輪式兩種，輪式又分可收放和不可收放式。滑橇式一般用於輕型直升機；輪式多用在中型、重型直升機。

## 操縱系統

直升機的操縱系統有別於固定翼航空器，通常由以下部分組成：

- 總距操縱杆（Collective Pitch Control），軍方稱為集體桿。

簡稱總距杆、集體桿，用來控制旋翼槳葉總距變化。總距操縱杆一般布置在駕駛員座位的左側，繞支座軸線上、下轉動。駕駛員左手上提杆時，使自動傾斜器整體上升而增大旋翼槳葉總距（即所有槳葉的槳距同時增大相同角度）使旋翼拉力增大，反之拉力減小，由此來控制直升機的升降運動。通常在總距操縱杆的手柄上設置旋轉式油門操縱機構，用來調節發動機油門的大小，以便使發動機輸出功率與旋翼槳葉總距變化後的旋翼需用功率相適應。因此，該操縱杆又被稱為總距油門杆。

- 周期變距操縱杆（Cyclic Control），軍方稱為迴旋操縱桿

簡稱駕駛杆、迴旋桿。與固定翼航空器的駕駛杆作用相似，通過操縱線系與自動傾斜器相連接。一般位於駕駛員座椅的中央前方。駕駛員沿橫向和縱向操縱周期變距操縱杆時，自動傾斜器會出現相應方向的傾斜，從而導致旋翼拉力方向也發生相應方向的傾斜，由此得到需要的推進力以及橫向和縱向操縱力，進而改變直升機的運動狀態和自身姿態。

- 腳蹬（Anti-torque Pedals），軍方稱為尾舵。

與固定翼航空器的方向舵腳蹬作用相似，都是控制航向的工具。由於直升機的類型比較多，腳蹬起作用的方式也各不相同。對於單旋翼帶尾槳直升機，腳蹬經操縱線系與尾槳的槳距控制裝置相連，通過控制尾槳槳距的大小來調節尾槳產生的側向力，達到控制航向的目的。對於單旋翼無尾槳直升機，則是通過腳蹬控制機身尾部出氣量的大小來調節側向力。對於雙旋翼直升機，腳蹬控制的則是兩旋翼總槳距的差動，即一個增大一個減小，使得兩旋翼反扭矩不能平衡，從而使機身發生航向偏轉。

單旋翼帶尾槳直升機的操縱系統說明表

名稱｜直接操縱對象｜主要作用｜副作用｜前飛時的用途｜懸停時的用途

周期變距杆－橫向｜改變旋翼前後槳葉的槳距｜通過自動傾斜器橫向傾斜旋翼槳盤｜增加下降率｜使航空器轉彎｜側向移動

周期變距杆－縱向｜改變旋翼左右槳葉的槳距｜通過自動傾斜器縱向傾斜旋翼槳盤｜增加下降率｜操縱俯仰姿態｜前後移動

總距操縱杆｜通過自動傾斜器同步改變旋翼槳葉槳距｜增加和減小旋翼拉力｜增加和減小扭矩和發動機轉速｜調整垂直速度｜調整懸停高度和垂直速度

腳蹬｜尾槳總距｜產生偏航速率｜增加或降低扭矩和發動機轉速（小於旋翼總距操縱的影響）｜調整側滑角｜控制偏航速率和航向

## 用途

直升機依照用途可分為民用與軍用兩種。

### 民用

作為民間工作，沒有武裝且僅有該用途所需的裝備的直升機即為民用直升機。依其用途目前主要可分為下列幾種：

- 救護直升機（Doctor Helicoptor，或稱醫療直升機）
- 救災直升機
- 採訪直升機（或稱新聞直升機）
- 觀測直升機
- 觀光直升機
- 警用直升機
- 貨運直升機
- 農用直升機
- 郵件直升機

### 軍用

增加裝甲和武器，同時加強性能以供軍事用途的直升機便為軍用直升機。依其用途目前主要可分為下列五種：

- 攻擊直升機（Attack Helicopter）
- 運輸直升機（Transport Helicopter）
- 偵察直升機（Reconnaissance Helicopter）
- 反潛直升機（Anti-Submarine Warfare Helicopter）
- 通用直升機（Utility Helicopter）

## 外部連結

- American Helicopter Society
- Army Aviation Association of America
- Helicopter Links - companies, organizations, museums, trade/air shows
- Helicopter Association International
- Helicopter history site
- Helicopter photo gallery
- Rotary Action - guide to helicopters in movies and TV
- US patent #1848389 - Sikorsky's helicopter patent (requires Quicktime plugin) .
- 1953 archive video about uses and flight physics of helicopters , (features vintage models). Published by Encyclopædia Britannica but now Creative Commons license, Prelinger Archives.
- "Flights -- of the Imagination: airships that soar only in the day-dreams of their inventors" 1918 Popular Science article on various imagined and suggested helicopter design concepts – , Popular Science monthly, December 1918, pp. 58–59.