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张德和 葛吉灵 夏小同
直升机的分类形式很多，按用途可分为武装直升机、运输直升机、勤务直升机三大类，最显著的标志就是旋翼。直升机的英文名字Helicopter，意思就是“旋转的翼”。它与生俱来的而固定翼飞机和其它飞行器所没有的飞行特点，都与旋翼密不可分。
旋翼由桨毂和若干片(最多八片)桨叶组成。工作时，桨叶与空气作相对运动。桨叶给空气以向下的作用力，使空气向下加速流动，与此同时，空气就给旋翼一个大小相等、方向相反的反作用力，就是旋翼产生的旋翼拉力。旋翼拉力提供的升力等于直升机的重力，直升机悬停；升力小于重力，就下降：升力大于重力就上升。平飞时，要想使直升机沿预定方向运动，必须使旋翼拉力朝预定方向倾斜，以获取向该方向运动的力。
桨毂的变化
15世纪，有人便将螺旋型的螺旋桨，作为人类实现垂直飞行的目标。然而由于直升机旋翼相对机身是以恒定的速度转动，与固定翼相比，旋翼桨叶的工作环境要复杂得多，也就使得直升机旋翼的结构比固定翼飞机机翼复杂。因此它的成功飞行比固定翼飞机迟了30多年。
在试验中，人们发现旋翼是作圆周运动，由于半径的关系，翼尖处线速度已经接近音速时，圆心处线速度几乎为零，所以旋翼靠近圆周的地方产生的升力最大，靠近圆心的地方则几乎为零。同时，桨叶向前划行时，桨叶和空气的相对速度高于旋转本身所带来的线速度；反之，桨叶向后划行时，桨叶和空气的相对速度就低于旋转本身所带来的线速度，这样旋翼两侧产生的拉力不同，形成的拉力差会产生一个令直升机翻滚的力矩，我们称它为“倾覆力矩”。这个力矩会造成直升机向一侧翻滚，无法维持平衡。倾覆力矩的平衡问题是直升机发展史上首先遇到的技术难题。
是西班牙人首先攻克了这个难题。他们在桨叶的翼根部增加了一个允许桨叶在回转过程中上下挥舞的铰链，它只传力不传力矩，这个铰链称为挥舞铰(flapping hinge，也称垂直铰)。桨叶在旋转过程中，以铰链中心为轴上下挥舞，达到平衡倾覆力矩的作用。
桨叶在前行时，升力增加，桨叶自然向上挥舞。由于桨叶在旋转过程中同时上升，桨叶的实际运动方向不再是水平的，而是斜线向上的。桨叶和水平面的夹角虽然不因为桨叶向上挥舞而改变，但桨叶和气流的相对运动方向之间的夹角由于这斜线向上的运动而变小，这个夹角(而不是桨叶和水平面之间的夹角)才是桨叶真正的迎角。桨叶的迎角在升力作用下下降，降低升力。桨叶在后行时，桨叶的升力不足，自然下垂，边旋转边下降，造成桨叶和气流相对运动方向之间的夹角增大，迎角增加，增加升力。由于离心力使桨叶有自然拉直的趋势，桨叶不会在升力作用下无限升高或降低，机械设计上也采取措施，保证桨叶的挥舞不至于和机体发生碰撞。
可以看到，桨叶在环形过程中，不断升高、降低，翼尖离圆心的距离不断改变，也就是受力还在不断变化，桨叶在水平方向也要前后摇摆，以补偿桨叶上下挥舞所造成的科里奥利效应。这就是摆振铰。摆振铰利用前行时阻力增加，使桨叶自然增加后掠角(即所谓“滞后”，因为桨叶在旋转方向上的角速度低于圆心的旋转速度)，这也变相增加桨叶在气流方向上剖面的长度，加强了减小迎角的作用；在后行时，阻力减小，阻尼器(相当于弹簧)使桨叶恢复的正常位置，当然也加强了增加迎角的作用，所以摆振铰(drag hinge也称水平铰)也称领先一滞后铰(leadlag hinge)。挥舞铰和摆振铰是旋翼升力均匀的飞行平稳的关键。
此外，为了实现直升机的飞行操纵，还需要改变桨叶桨距，使旋翼拉力的大小和方向改变，这就是变距铰。
西班牙人采用的铰接方法为后来直升机的发展开辟了一条大道。我们将三铰齐全的桨毂称为铰接式桨毂。早期的直升机都采用这种形式。
40～60年代，铰接式旋翼是主要的旋翼形式。在长期的应用中这种形式发展比较成熟，经验也比较丰富。但由于结构复杂、维护量大、操纵功效及角速度阻尼小等固有的缺点，这种形式不够理想。
美国贝尔公司别出心裁，发展了一种万向接头式旋翼，并将其成功地应用在总重量一吨级的轻型直升机Bell-47上。50年代中期又把万向接头式进一步发展成跷跷板式，研制了总重量达4吨多的中型直升机UH-1和9吨级的Ben-214直升机。虽然这两种旋翼形式除了贝尔公司外很少采用，但仅仅Bell-47型及UH-I系列直升机产量就很大，应用也很广泛。
与此同时，世界各国在简化铰接式旋翼结构时，也开始了无铰式旋翼的研究工作。到60年代末及70年代初无铰式旋翼进入了实用阶段。带有无铰式旋翼的直升机如德国的BO-105、英国的“山猫”等，它们取得了成功并投入批量生产。
无铰式旋翼尽管有许多优点。但从根本上看无铰式旋翼还没有大的改观，只是没有了挥舞铰和摆振铰，却仍然保留了变距用的轴向铰，因此也迹不是真正的“无铰”。由于无铰式旋翼保留了承受很大力矩和离心力的变距铰，重量难以减轻，结构简化也受到了限制。无铰式旋翼合乎逻辑的进一步发展，就是取消变距铰。无轴承旋翼就是取消了挥舞铰、摆振动铰和变距铰的旋翼，桨叶的挥舞、摆振和变距运动都以桨叶根部的柔性元件来完成。这种结构达到了简化、长寿、无维护的要求，是直升机发展阶段的又一个里程碑。
桨叶的发展
桨叶是提供升力的重要部件，一般由大梁、翼肋、桁条和蒙皮组成。最早的旋翼桨叶采用木质结构，后来发展成木质或金属，木质混合式旋翼桨叶。到50年代后期，木质或金属／木质混合式桨叶也逐渐被金属桨叶、复合材料桨叶所代替，目前只在重型直升机米-6、米-26上使用。
金属桨叶是由挤压的D形铝合金大梁和胶接在后缘上的后段件组成。后段件外面包有金属蒙皮，中间垫有泡沫塑料或蜂窝结构。这种桨叶比混合式桨叶气动效率高，刚度好，同时加工比较简单，疲劳寿命较高。
到了70年代初，随着复合材料的普遍使用，旋翼桨叶又进入一个新的发展阶段。复合材料桨叶主要由蒙皮、z形梁、c形大梁等组成。主要承力件为c形大梁主摹承受离心力并提供了大部分挥舞弯曲刚度。
布局有学问
除了旋翼自身结构以外，旋翼布局对直升机的影响也很大，不同的布局形式，结构也不同，会使直升机的性能发生很大变化。目前主要有单旋翼尾桨式、双旋翼纵列式、双旋翼横列式、双旋翼共轴式、双旋翼交叉式等。
最早的实用直升机是从单旋翼直升机开始的。1939年美国成功地研制出世界上第一架单旋翼直升机，之后迅速发展，形成一个庞大的家族。其中俄罗斯的“米”式系列就是以生产单旋翼直升机而闻名于世的。单旋翼直升机具有一副旋 翼，尾部装有尾桨。它适用于不同重量级别的直升机，是当今技术最成熟、应用范围最广、使用最多的旋翼形式，“山猫”、AH-64、RAH-66、米-24、米-28等著名直升机均采用单旋翼。
双旋翼纵列式则是两副旋翼沿机体纵轴前、后排列，两副旋翼完全相同，但旋转方向相反，它们的反作用扭矩相互平衡。这种结构形式的突出优点是纵向重心范围大，适用于大、中型直升机。CH-47“支奴干”直升机是最典型的双旋翼纵列式结构，机舱很大，外部吊运也十分方便。
双旋翼横列式则是两副旋翼沿机体横向左、右排列，两副旋翼完全相同，但旋转方向相反，其旋转时扭矩互相抵消。这种结构形式最大的优点是平衡性好，缺点是操纵复杂。双旋翼横列式直升机的数量很少。苏联米里设计局研制的米—12是典型的双旋翼横列式直升机，也是世界上最大的直升机之一。该型直升机仅在20世纪60年代试制了4架原型机，没有投入批量生产。
双旋翼共轴式则是两副完全相同的旋翼上下同在一根旋翼轴上，但旋翼的旋转方向相反。它们的反扭矩互相抵消。采用此类旋翼的直升机无需尾桨。它的主要优点是结构紧凑，外形尺寸小。研制共轴式直升机取得最大成功的是俄罗斯的卡莫夫设计局。该设计局研制_出了庞大的“卡”式系列直升机，它们基本上都是双旋翼共轴式布局(只有卡－62和卡—118不是)。
双旋翼交叉式又称“交叉式”。“交叉式”与“横列式”一样，两副旋翼完全相同，沿机体横向左、右排列，但其轴线呈“v”型交叉，反向旋转。其明鲜的特点是两旋翼不平行，分别向外倾斜。这种结构的最大优点是稳定性好，适宜执行起重、吊挂作业。研制“交叉式”埴升机的公司主要是美国的卡曼公司。早在20世纪50年代，卡曼公司就研制过“交叉式”直升机H-43。以后在漫长的40年中，“交叉式”直升机似乎销声匿迹。20世纪90年代初，卡曼公司瞧准了民用直升机缺少专门用于吊挂作业的直升机，于是研制了“交叉式”直升机K－MAx“空中卡车”。
目前又出现了“复合式”、“桨尖喷气式”等新概念，比如“复合式”旋翼是在直升机上加装机翼及推进装置，前飞时推进力主要由推进装置提供，升力由机翼和旋翼共同产生。“桨尖喷气式”旋翼是在旋翼的桨叶尖端装有喷气发动机，或由机内提供的压缩空气通过桨尖喷管喷出，驱动旋翼旋转。但这些都还只是设想。最终实现还有很长的路要走。
直升机的分类形式很多，按用途可分为武装直升机、运输直升机、勤务直升机三大类，最显著的标志就是旋翼。直升机的英文名字Helicopter，意思就是“旋转的翼”。它与生俱来的而固定翼飞机和其它飞行器所没有的飞行特点，都与旋翼密不可分。
旋翼由桨毂和若干片(最多八片)桨叶组成。工作时，桨叶与空气作相对运动。桨叶给空气以向下的作用力，使空气向下加速流动，与此同时，空气就给旋翼一个大小相等、方向相反的反作用力，就是旋翼产生的旋翼拉力。旋翼拉力提供的升力等于直升机的重力，直升机悬停；升力小于重力，就下降：升力大于重力就上升。平飞时，要想使直升机沿预定方向运动，必须使旋翼拉力朝预定方向倾斜，以获取向该方向运动的力。
桨毂的变化
15世纪，有人便将螺旋型的螺旋桨，作为人类实现垂直飞行的目标。然而由于直升机旋翼相对机身是以恒定的速度转动，与固定翼相比，旋翼桨叶的工作环境要复杂得多，也就使得直升机旋翼的结构比固定翼飞机机翼复杂。因此它的成功飞行比固定翼飞机迟了30多年。
在试验中，人们发现旋翼是作圆周运动，由于半径的关系，翼尖处线速度已经接近音速时，圆心处线速度几乎为零，所以旋翼靠近圆周的地方产生的升力最大，靠近圆心的地方则几乎为零。同时，桨叶向前划行时，桨叶和空气的相对速度高于旋转本身所带来的线速度；反之，桨叶向后划行时，桨叶和空气的相对速度就低于旋转本身所带来的线速度，这样旋翼两侧产生的拉力不同，形成的拉力差会产生一个令直升机翻滚的力矩，我们称它为“倾覆力矩”。这个力矩会造成直升机向一侧翻滚，无法维持平衡。倾覆力矩的平衡问题是直升机发展史上首先遇到的技术难题。
是西班牙人首先攻克了这个难题。他们在桨叶的翼根部增加了一个允许桨叶在回转过程中上下挥舞的铰链，它只传力不传力矩，这个铰链称为挥舞铰(flapping hinge，也称垂直铰)。桨叶在旋转过程中，以铰链中心为轴上下挥舞，达到平衡倾覆力矩的作用。
桨叶在前行时，升力增加，桨叶自然向上挥舞。由于桨叶在旋转过程中同时上升，桨叶的实际运动方向不再是水平的，而是斜线向上的。桨叶和水平面的夹角虽然不因为桨叶向上挥舞而改变，但桨叶和气流的相对运动方向之间的夹角由于这斜线向上的运动而变小，这个夹角(而不是桨叶和水平面之间的夹角)才是桨叶真正的迎角。桨叶的迎角在升力作用下下降，降低升力。桨叶在后行时，桨叶的升力不足，自然下垂，边旋转边下降，造成桨叶和气流相对运动方向之间的夹角增大，迎角增加，增加升力。由于离心力使桨叶有自然拉直的趋势，桨叶不会在升力作用下无限升高或降低，机械设计上也采取措施，保证桨叶的挥舞不至于和机体发生碰撞。
可以看到，桨叶在环形过程中，不断升高、降低，翼尖离圆心的距离不断改变，也就是受力还在不断变化，桨叶在水平方向也要前后摇摆，以补偿桨叶上下挥舞所造成的科里奥利效应。这就是摆振铰。摆振铰利用前行时阻力增加，使桨叶自然增加后掠角(即所谓“滞后”，因为桨叶在旋转方向上的角速度低于圆心的旋转速度)，这也变相增加桨叶在气流方向上剖面的长度，加强了减小迎角的作用；在后行时，阻力减小，阻尼器(相当于弹簧)使桨叶恢复的正常位置，当然也加强了增加迎角的作用，所以摆振铰(drag hinge也称水平铰)也称领先一滞后铰(leadlag hinge)。挥舞铰和摆振铰是旋翼升力均匀的飞行平稳的关键。
此外，为了实现直升机的飞行操纵，还需要改变桨叶桨距，使旋翼拉力的大小和方向改变，这就是变距铰。
西班牙人采用的铰接方法为后来直升机的发展开辟了一条大道。我们将三铰齐全的桨毂称为铰接式桨毂。早期的直升机都采用这种形式。
40～60年代，铰接式旋翼是主要的旋翼形式。在长期的应用中这种形式发展比较成熟，经验也比较丰富。但由于结构复杂、维护量大、操纵功效及角速度阻尼小等固有的缺点，这种形式不够理想。
美国贝尔公司别出心裁，发展了一种万向接头式旋翼，并将其成功地应用在总重量一吨级的轻型直升机Bell-47上。50年代中期又把万向接头式进一步发展成跷跷板式，研制了总重量达4吨多的中型直升机UH-1和9吨级的Ben-214直升机。虽然这两种旋翼形式除了贝尔公司外很少采用，但仅仅Bell-47型及UH-I系列直升机产量就很大，应用也很广泛。
与此同时，世界各国在简化铰接式旋翼结构时，也开始了无铰式旋翼的研究工作。到60年代末及70年代初无铰式旋翼进入了实用阶段。带有无铰式旋翼的直升机如德国的BO-105、英国的“山猫”等，它们取得了成功并投入批量生产。
无铰式旋翼尽管有许多优点。但从根本上看无铰式旋翼还没有大的改观，只是没有了挥舞铰和摆振铰，却仍然保留了变距用的轴向铰，因此也迹不是真正的“无铰”。由于无铰式旋翼保留了承受很大力矩和离心力的变距铰，重量难以减轻，结构简化也受到了限制。无铰式旋翼合乎逻辑的进一步发展，就是取消变距铰。无轴承旋翼就是取消了挥舞铰、摆振动铰和变距铰的旋翼，桨叶的挥舞、摆振和变距运动都以桨叶根部的柔性元件来完成。这种结构达到了简化、长寿、无维护的要求，是直升机发展阶段的又一个里程碑。
桨叶的发展
桨叶是提供升力的重要部件，一般由大梁、翼肋、桁条和蒙皮组成。最早的旋翼桨叶采用木质结构，后来发展成木质或金属，木质混合式旋翼桨叶。到50年代后期，木质或金属／木质混合式桨叶也逐渐被金属桨叶、复合材料桨叶所代替，目前只在重型直升机米-6、米-26上使用。
金属桨叶是由挤压的D形铝合金大梁和胶接在后缘上的后段件组成。后段件外面包有金属蒙皮，中间垫有泡沫塑料或蜂窝结构。这种桨叶比混合式桨叶气动效率高，刚度好，同时加工比较简单，疲劳寿命较高。
到了70年代初，随着复合材料的普遍使用，旋翼桨叶又进入一个新的发展阶段。复合材料桨叶主要由蒙皮、z形梁、c形大梁等组成。主要承力件为c形大梁主摹承受离心力并提供了大部分挥舞弯曲刚度。
布局有学问
除了旋翼自身结构以外，旋翼布局对直升机的影响也很大，不同的布局形式，结构也不同，会使直升机的性能发生很大变化。目前主要有单旋翼尾桨式、双旋翼纵列式、双旋翼横列式、双旋翼共轴式、双旋翼交叉式等。
最早的实用直升机是从单旋翼直升机开始的。1939年美国成功地研制出世界上第一架单旋翼直升机，之后迅速发展，形成一个庞大的家族。其中俄罗斯的“米”式系列就是以生产单旋翼直升机而闻名于世的。单旋翼直升机具有一副旋 翼，尾部装有尾桨。它适用于不同重量级别的直升机，是当今技术最成熟、应用范围最广、使用最多的旋翼形式，“山猫”、AH-64、RAH-66、米-24、米-28等著名直升机均采用单旋翼。
双旋翼纵列式则是两副旋翼沿机体纵轴前、后排列，两副旋翼完全相同，但旋转方向相反，它们的反作用扭矩相互平衡。这种结构形式的突出优点是纵向重心范围大，适用于大、中型直升机。CH-47“支奴干”直升机是最典型的双旋翼纵列式结构，机舱很大，外部吊运也十分方便。
双旋翼横列式则是两副旋翼沿机体横向左、右排列，两副旋翼完全相同，但旋转方向相反，其旋转时扭矩互相抵消。这种结构形式最大的优点是平衡性好，缺点是操纵复杂。双旋翼横列式直升机的数量很少。苏联米里设计局研制的米—12是典型的双旋翼横列式直升机，也是世界上最大的直升机之一。该型直升机仅在20世纪60年代试制了4架原型机，没有投入批量生产。
双旋翼共轴式则是两副完全相同的旋翼上下同在一根旋翼轴上，但旋翼的旋转方向相反。它们的反扭矩互相抵消。采用此类旋翼的直升机无需尾桨。它的主要优点是结构紧凑，外形尺寸小。研制共轴式直升机取得最大成功的是俄罗斯的卡莫夫设计局。该设计局研制_出了庞大的“卡”式系列直升机，它们基本上都是双旋翼共轴式布局(只有卡－62和卡—118不是)。
双旋翼交叉式又称“交叉式”。“交叉式”与“横列式”一样，两副旋翼完全相同，沿机体横向左、右排列，但其轴线呈“v”型交叉，反向旋转。其明鲜的特点是两旋翼不平行，分别向外倾斜。这种结构的最大优点是稳定性好，适宜执行起重、吊挂作业。研制“交叉式”埴升机的公司主要是美国的卡曼公司。早在20世纪50年代，卡曼公司就研制过“交叉式”直升机H-43。以后在漫长的40年中，“交叉式”直升机似乎销声匿迹。20世纪90年代初，卡曼公司瞧准了民用直升机缺少专门用于吊挂作业的直升机，于是研制了“交叉式”直升机K－MAx“空中卡车”。
目前又出现了“复合式”、“桨尖喷气式”等新概念，比如“复合式”旋翼是在直升机上加装机翼及推进装置，前飞时推进力主要由推进装置提供，升力由机翼和旋翼共同产生。“桨尖喷气式”旋翼是在旋翼的桨叶尖端装有喷气发动机，或由机内提供的压缩空气通过桨尖喷管喷出，驱动旋翼旋转。但这些都还只是设想。最终实现还有很长的路要走。