自轉旋翼機

自轉旋翼機，英文稱作Autogyro（來自希臘語αυτό + γύρος，自行旋轉），也常被稱作旋翼飛機Gyroplane、旋翼機Rotorplane或是旋翼飛行器（Gyrocopter），是一種利用前飛時的相對氣流吹動旋翼自轉以產生升力的旋翼航空器。

基本介紹

• 中文名：自轉旋翼機
• 外文名：Autogyro

簡介

自轉旋翼機，英文稱作Autogyro（來自希臘語αυτό + γύρος，自行旋轉），也常被稱作旋翼飛機Gyroplane、旋翼機Rotorplane或者是旋翼飛行器（Gyrocopter），它是一種由旋翼自轉而非動力驅動來獲得升力的旋翼類飛行器，一般帶有一個推進螺旋槳來提供前進動力，在這方面和固定翼飛行器類似。自轉旋翼機的外形和直升機類似，但是必須有氣流通過它的槳盤才能帶動它的旋翼旋轉。自轉旋翼機由西班牙工程師Juan de la Cierva發明，當初的目的是為了製造一種能夠低速飛行的安全飛行器，該自轉旋翼飛行器於1923年1月9日在馬里德的Cuatro Vientos飛機場進行了首次試飛。De la Cierva的飛行器類似於今天的固定翼飛行器，裝配有一個前懸掛式的引擎和前拉式螺旋槳來帶動整個飛行器飛行。在二十世紀二十年代和三十年代，在得到Cierva的許可之後，Pitcairn和Kellett公司在Cierva的基礎上進行了更大的創新。新型自轉旋翼機仿照Igor Bensen的設計將發動機後置，並將螺旋槳後置，形成了後推式自轉旋翼機。Autogiro這個詞便是由Cierva Autogiro 公司的商標而來。Gyrocopter這個詞是由E. Burke Wilford而來，他在二十世紀上半世紀發明了裝配有Reiseler Kreiser順槳旋翼的旋翼機。Gyroplane一詞則是因被Bensen飛行器公司用作商標而來。

工作原理

同直升機一樣，自轉旋翼機以旋翼作為主要的升力裝置，但驅動旋翼轉動的動力來源不同。自轉旋翼機在起飛時需要在地面上滑跑，所需拉力或推力來自機身前部或後部的螺旋槳，由迎面吹來的豐驅使旋翼轉動，但不像風車那樣順轉，而是逆轉。前飛時，自轉旋翼機的槳盤向後傾，而不像直升機那樣向前傾。

由於自轉旋翼機的旋翼工作原理與直升機的類似，所以可將分析直升機旋翼氣動特性的方法，根據自轉旋翼機的特點進行修改後用來分析自轉旋翼。

大多數現代自轉旋翼機裝有為旋翼達到足夠速度提供動力的裝置，以便在開始起飛之前獲得初始升力。一旦實現起飛，旋翼傳動軸就會斷開，這樣，所有的發動機功率都直接提供向前的拉力。

由於正常飛行時旋翼沒有動力，所以，自轉旋翼機不能懸停；然而，近似的垂直著陸是可能的，一架設計良好的自轉旋翼機能夠以遠遠低於固定翼飛機的最小速度持續飛行，通常低到10節-15節。既然旋翼機是在不變的自轉狀態下持續飛行，發動機失效就很少需要飛行員採取應急措施了，並且飛行器自身是天然穩定的，能夠短時間內“鬆開駕駛桿”飛行。

有些自轉旋翼機能夠垂直起飛(VTOL)，其過程恰好與直升機的自轉著陸相反。自轉旋翼機採用加重的旋翼，並採用強有力的飛行前旋轉器，使槳葉以大大超過飛行所需的轉速旋轉，而槳距保持在中間位置。當達到該轉速時，斷開飛行前旋轉器，使用最大功率以得到最大拉力，並增大旋翼槳距，以便飛行。自轉旋翼機隨後利用儲存在旋翼槳葉動量中的動能升到空中，並開始向前飛行加速。只要旋翼槳葉在減速之前達到最小飛行速度，旋翼機就能停留在空中，並能爬升離開。皮特卡恩，一位著名的白轉旋翼機設計師，在20世紀30年代通過從辦公大樓的樓頂進行起飛和著陸，演示了這種特殊設計的自轉旋翼機的飛行過程。現代企業家企圖重現這種能力，並取得了一些成功，顯示出巨大的商業市場潛力。

與直升機的區別

雖然自轉旋翼機在外形方面與直升機非常相似，但在原理和結構方面，旋翼機和直升機卻有著本質的不同，而其中最大的不同就在於兩種飛機看似相同的旋翼身上。

直升機的旋翼是直升機的唯一動力源，它既要提供升力，又要提供飛行時所需的動力，並且還要控制飛行的方向。因此，集諸多重任於一身的直升機旋翼以及相應的傳動系統異常複雜，技術要求極高。

反觀旋翼機，它頭頂上大大的旋翼在飛行時是不和發動機傳動系統相連的，旋翼的旋轉完全依靠飛機前飛時相對氣流的吹動和自身慣性的作用，就好像一個大大的風車，而且這個“風車”只為飛機提供飛行時所需的升力。由於自行旋轉，旋翼機的旋翼傳遞給機身的扭矩很小，這樣旋翼機也就無需直升機那樣的尾槳來進行扭矩平衡。

另外，大多數旋翼機不能像直升機那樣進行垂直起降，而必須像固定翼飛機一樣經過滑跑才能起飛。但是，旋翼機的旋翼可以在起飛時通過離合器與發動機進行短暫的連線，雖然這不足以產生足夠的升力來垂直起飛，但旋翼的主動旋轉卻可以有效地減少飛機起飛時的滑跑距離，甚至從一座房子的屋頂就可以完成起飛。

在飛行過程中，旋翼機只可以向前飛行，而且旋翼總是向後傾斜的；直升機則可以向任意方向飛行甚至空中懸停，旋翼的傾斜角度也隨著飛行方向的變化而變化，這也是在飛行中區分兩種飛機最直觀的方式。

優點

旋翼機前飛時的動力來自於飛機後部的螺旋槳，它與旋翼機的發動機相連，旋轉起來向後吹動空氣，從而實現飛機的向前飛行。而且，自轉旋翼機有尾翼，並且需要通過它控制飛行的方向。正因為此，旋翼機的操作十分簡單。據報導，在國外一些旋翼機飛行培訓中心，對沒有飛過任何機種的新手，一般通過兩天的訓練和帶飛即可放單飛，而對經過訓練的人一天就足夠了。

由於“旋翼+螺旋槳”的良好分工，旋翼機的動力系統十分簡單，而且要求不高，一台較大排量的機車發動機就足以驅動一架小型旋翼機。也正是由於這個原因，旋翼機的製造成本十分低廉，價格約為同級別直升機的五分之一到十分之一。有媒體報導，在美國一輛中級轎車的錢就可以買一架輕型旋翼機。

最為重要的是，由於旋翼機的旋翼在飛行時只依靠自身慣性旋轉，所以在遭遇發動機空中突然停車時，旋翼機飛行高度下降造成的上升氣流會加速旋翼的旋轉，從而補償飛機損失的升力，旋翼機於是可以在沒有動力的情況下平穩著陸，更高的安全性也是旋翼機的設計初衷。

目前，由於飛行速度、飛行高度有限，旋翼機主要用於搜尋、旅遊以及測量等。但在國外，憑藉簡單的構造、較短的滑跑距離、較高的安全性等，旋翼機備受人們的青睞，甚至經常會成為一些飛行愛好者DIY的對象。

發展概況

旋翼機這一概念的提出最早可以追溯到20世紀初期。當時，由失速引起的空難事故的比重越來越大，愈發引起人們的重視。1919年，西班牙工程師謝爾瓦提出了自轉旋翼機的概念，試圖解決飛機失速的問題。他設計的飛機和直升機十分相似，但由於旋翼沒有動力，在失速的情況下，飛機下墜過程中所產生的相對氣流又會從下往上吹動旋翼旋轉，就好像風車一樣，從而重新產生升力，使飛機可以比較平穩地著陸。當時的新聞界將謝爾瓦的這個發明稱為“風車飛機”。

國外

1922年，謝爾瓦製造了C-3型自轉旋翼機；1923年， C-4型旋翼機也成功地進行了飛行試驗；1925年，謝爾瓦建立了自己的自轉旋翼機公司。在接下來的10年中，該公司及其授權公司生產了近500架自轉旋翼機，這一飛機也在歐美得到了很大的發展。

此後，皮特凱恩和奇力公司對旋翼機技術進行了更深入的研究。從20世紀30年代開始，美國郵政系統開始採用旋翼機投遞信件，這種飛機可以“從一個郵政局的屋頂飛到另一個郵政局的屋頂”。但這一做法只持續了大約10年的時間，由於直升機技術的飛速發展，旋翼機也逐步被直升機所取代。直到越南戰爭期間，由於直升機高昂的製造和維護費用，人們才又把目光重新投到了“物美價廉”的旋翼機身上，也正是從那時開始，旋翼機技術又開始受到重視並一直發展至今。

在美國，目前FAA接受ASTMDesignationF2352-05、F2449-05、F2415-06針對乘員不超過兩人，最大起飛重量不超過725kg的自轉旋翼機的適航審定規範，只作為許可飛行。而對於中大型的自轉旋翼機沒有專門適航審定規範，還是以FAR-27為適航審定基礎。但現今的FAR-27規範對自轉旋翼機進行適航認證，其操作性很難。美國GBA公司所設計生產的Hawk-4自轉旋翼機，於1998年開始以FAR-27部為審定基礎進行適航認證，但由於FAR-27部的部分苛刻條件，加上條例本身對自轉旋翼機適用性不強，例如，座椅和地板要抗30g的垂直衝擊載荷，機身結構能承受12g的前向載荷並能保證變形最小，作為此種重量級別飛行器不能滿足其要求，所以Hawk-4自轉旋翼機未能成功取得適航認證。

在英國，BCAR-T分部是關於自轉旋翼機適航的規範。但其主要針對不超過兩座，最大起飛重量不超過600kg，限制在可視條件下，輕小型的自轉旋翼機作了相關要求。而且也只是作為許可飛行，不取得適航認證。如要適航認證，還必須遵照JAR-27部進行審定。不過BCAR-T分部提供了一個適航剪裁思路，以FAR/JAR-27為審定基礎，補充FAR/JAR-23部專項條款。以及根據自轉旋翼機特點，補充相關要求。

國內

在國外一些工業比較發達的國家，旋翼機技術已經發展得相當成熟，而在我國民用航空領域，旋翼機還沒有廣為人知。雖然偶有飛行愛好者自製旋翼機飛天的報導，但我國至今還未有一家旋翼機製造企業。

近幾年，隨著中國低空空域改革的進一步推進，越來越多的飛機製造商開始瞄準中國私人飛機市場。今年年初，世界頂級旋翼機製造企業美國格萊恩兄弟航空工業公司宣布，其全資子公司格萊恩兄弟國際公司已經與廣州三川航空科技有限公司達成協定，將在中國建立一家合資企業生產輕型旋翼機。

根據雙方簽署的協定，三川格萊恩公司將基於Sparrow Hawk系列旋翼機在中國生產輕型旋翼機並面向全球市場銷售。格萊恩兄弟航空工業公司表示，三川格萊恩將重新在美國和全球市場推出其Sparrow Hawk III Kit旋翼機，並在未來幾年內推出完全由三川格萊恩自主設計的輕型旋翼機。

有業內人士認為，旋翼機構造簡單、價格便宜、容易操控等特點使它非常利於在中國發展，並且極有可能成為我國未來小型通用航空器的發展方向。格萊恩兄弟公司商業開發部副總經理奧爾·瓦達爾認為，隨著中國低空空域的一步步開放，高效、靈活的旋翼機將在中國通用航空市場中占有明顯優勢。“Sparrow Hawk旋翼機的飛行操作簡單安全，飛機性能優越，起落僅需很短的一段跑道，隨著中國政府當局對私人飛機、飛行員的限制逐漸放開，這種飛機肯定會在中國大受歡迎。”

目前國內尚未有自轉旋翼機投入生產營運，也沒有相應的適航法規制定和頒布。而且對於特殊輕型運動類以及組裝或業餘製造的航空器，我國都沒有相關的政策，對銷售和使用都是嚴格限制。所以在國內迫切需要找一條對自轉旋翼機適航認證的途徑，為此類航空器的發展提供一個更好的平台。

在南京航空航天大學，正在進行自轉旋翼機的設計研究工作。所設計的是標準類的中型自轉旋翼機，而且也正在積極對該機進行適航審定的研究工作，目前已與適航部門取得了初步的意見交換，適航部門已正式受理該機的適航工作。但目前面臨的問題還比較多，首先，沒有相關的適航審定規範，適航審定有難度。其次，在國內還是一種新機種，適航審定途徑沒有經驗可循。再則，適航部門在對於新機種的適航審定也缺乏經驗，如何更有效進行適航審定，採取怎樣的技術途徑都是一個探索過程。