““自转”对于直升机而言，也是一种相当重要的特殊状态，甚至可以说对直升机的安全性起着不可或缺的作用。

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正 文

@ 引言

相比于活跃于各行各业，性能出众的现代化直升机，如今的自转旋翼机更多是作为一种运动/娱乐的轻小型飞行器出现在公众的视野中，前者光辉如皓月，后者已如远星。

然而纵观直升机发展史，则可以发现，若是没有从自转旋翼的研制中积累的关于旋翼的种种技术手段和工程经验（比如挥舞、摆振等等），直升机多半不可能取得如此长足的发展。

而“自转”旋翼对于自转旋翼机而言，是将其与“驱转”旋翼的直升机区分开来绝对判据。虽然如此，“自转”对于直升机而言，也是一种相当重要的特殊状态，甚至可以说对直升机的安全性起着不可或缺的作用。

下文我将从理论和实际两个方面，对直升机的“自转”状态做一些概述。

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@ 理论原理

旋翼的气动理论基础，归根结底，是和固定翼没有本质去别的，但是旋翼的周期性旋转带来的气动力的周期性变化，使其整体气动特征与固定翼大相径庭。

@@ 叶素气动力

上面的图片是叶素气动力的示意图，从图片中我们可以看出，假如说这个和气流方向相同的这个阻力的分量比较大，那么整个气动力合力就有更大的可能向叶素后侧倾斜，而如果说这个阻力分量比较小，那么整个驱动合力就更有可能向前倾一些；除了这个阻力大小影响外，阻力的方向也会影响到整个驱动力和力的方向，因为这个阻力的方向和气流是一致的，如果气流朝向这个叶素的方向更低，也就是说气动迎角更大，那么气动合力的朝向也就会更偏向于前缘侧。

那么假如说这个叶素阻力的水平分量和升力的水平分量相等的时候呢？其气动力合力就会指向于叶素的垂向，也就是说，这时候这个叶素气动力在桨盘平面内是不会有任何力的分量的，也就是说这时候叶素就达到了一种平衡的状态，如果所有的叶素微段都达到这种平衡状态，那么旋翼就会进入自由旋转的状态。

@@ 旋翼气动力

对于整片桨叶来说，由于桨叶各个剖面的周向来流速度不同，而且诱导速度和桨叶几何扭转不同，因此不同的桨叶微段的迎角是不同的，合力的大小以及方向也是不同的。

大致来说，在桨根部分，周向来流较小，迎角较大，空气动力合力向前倾斜，力图使桨叶加速旋转，在叶尖部分空气动力合力向后倾斜，力图使桨叶减速旋转，所以整片桨叶在定常自转时，多个桨叶微段的加速扭矩之和等于减速扭矩之和，如果加速扭矩小于或大于减速扭矩，那么整个桨叶就相应的减速自转或者加速自转。

当多个桨叶微段的加速扭矩之和等于减速扭矩之和的时候，整个旋翼将不再需要任何的功率输入，所以说我们就可以把旋翼和发动机之间通过离合器断开，这样它就和发动机没有任何关系了。

我们就把这种状况称之为直升机的自转状态。

直升机的自转状态的初始状态是凭借直升机储存的动能来实现的，但是这不是一种稳定的状态，如果没有能量的变化，单靠旋翼本身，它是无法持续性的诱导气流，穿过桨盘来维持稳定自转的，所以说在进入自转状态之后，我们就进行自转下降来维持其稳定自转的状态。

自转下降可以分为垂直下降和斜向下滑。在实际飞行中，直升机旋翼自转的时候，不仅要克服翼型的阻力，还要带动尾桨的旋转，以及液压泵等一些附件，这就要求叶素上的气动合力一定要前倾以产生驱动力矩来驱动旋翼旋转，因此呢，就要求垂直下降的旋翼有更大的下降率，一般来说，直升机作垂直自转下降的时候，下降率约为悬停诱导速度的两倍，这个速度是非常大的，所以我们一般都不采用垂直下降这种自转下滑方式。

飞行中一旦直升机发动机停车，驾驶员应立即减小总距，并调整驾驶杆操纵位置，使直升机进入斜向下滑。

当直升机以巡航（经济）速度前飞时需用功率最小，从另一个角度来说，如果在此时静如自转，旋翼所需提供的驱动能量也就越低，此时能够有最小的自转飞行下降率，也可以选择以有利速度飞行，获得最远的滑翔距离，驾驶员可利用自转下滑飞行来选择并到达适宜的着陆点，安全实现自转着陆。

@ 实际操纵

自转下滑的理论基础虽然很清晰，很明确，但在实际操作中却并不是一件简单的事情，这种飞行模式对驾驶员的反应速度和心理素质都有很高的要求，但是通过适量的训练，绝大部分直升机飞行员都能够较好地驾驭这一特殊飞行模式。

下面我说，我先说一下，最典型的两种操作对比：

@@ 错误的姿势

1. 发动机提示失效，但是驾驶员没有立刻采取措施降低总距；
2. 桨叶迎角保持着较大的状态 ---> 桨叶微段阻力很大
3. 叶素气动合力产生阻转力矩 ---> 桨叶很快减速
4. 旋翼的转速降低，离心力变小
5. 失去了离心力的弹簧作用，桨叶挥起了很高的高度，旋翼的拉力变得非常的小
6. 迫降失败，坠毁

@@ 正确的姿势

1. 发动机提示下，驾驶员立刻采取措施，降低总距
2. 叶素微段的气动迎角都比较小
3. 气动阻力因而比较小，因此，整个桨叶的气动合力将向前侧倾斜
4. 整个旋翼驱转力矩比较大，然后整个桨叶就会加速，旋翼的转速也会上升
5. 直升机以一种有利状态进入下滑
6. 下降到高度约35到25米时后拉杆，减小前向的拉力分量
7. 到高度约25到15米的时候，开始稳定的提拉总距，提拉总距的速度要保证直升机在触地的时候总距差不多刚好达到最大
8. 在坠地前的持平阶段，也就是高度5、6米的时候，开始向前推杆来调整直升机机身的着陆姿势，以免得旋翼的尾部撞到地面
9. 接触地面后必须把总距降到最小，同时踩下机轮刹车，缩短滑跑距离

上述只是两种典型的自转下滑操纵描述，在实际下滑和着陆的过程中，仍有不少需要注意的地方：

1. 着陆过程是减小前进分速和垂直下降分速的过程，在触地时前进分速越小，则滑跑距离越短，垂直下降分速越小，起落架上的过载越小
2. 在自转飞行中，驾驶员必须尽可能的释放直升机本身所储备的动能，如果直升机前进动能较大，可操纵桨盘后倒以增加整个旋翼的迎角，吸收直升机的前进动力，增加旋翼的后向分力及向上分力，从而减少前进分速以及垂直下降分速，如果旋翼的旋转动能较大，在触地之前，可操纵使瞬时增加桨距吸收旋翼的旋转动能，大大增加拉力，从而减小垂直下降分速

一般来说，当直升机在飞行中发生，发动机空中停车这种情况，只要驾驶员在恰当的时机采取正确操作动作，就可以利用直升机前进动能和旋翼的动能进入自转飞行，然后实现安全着陆，但是在某些速度、高度范围内飞行时，如果发生发动机停车，直升机仍有很大可能坠毁，这一飞行范围被称为

回避区，如下图所示：

从左图可以看到回避区分两块，一块是低速回避区，一块是高速回避区。

低速回避区：由于直升机一旦发生发动机故障须过渡到最佳定常自转状态，仍然需要一定时间，会损失高度，因此，回避区的上限是按转入最佳定常自转所掉高度决定的，在前飞速度较低的时候上限较高，随着前飞速度增加，更容易转变为自转飞行，因而上限降低；回避区的下限，是按照下降率及起落架的承载能力而决定的，在悬停时下限最低，随前飞速度增加而下限提高，这是因为前飞时候有前进动能可以利用。

高速回避区：近年来在驾驶员手册上有将高速回避区压缩甚至取消的趋势（如右图），原因在于发动机停车后旋翼转速随即减小，相当于前进比（来流速度/旋翼桨尖速度）增大，此时旋翼后倒角自动增大，而使直升机仰头并爬高，从而给驾驶员提供了宝贵的求生时间。

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@ 总结

直升机自转下降及着陆并不仅仅受限于发动机失效这种意外事故，其往往会发生于下述四种情况下：

1. 任务需求直升机驾驶员进行快速下降及着陆（这种情况下，下滑角一般较陡）
2. 驾驶员在进行自转下滑的常规训练
3. 直升机发动机失效
4. 直升机尾桨失效（尾桨失效之后，工作良好地发动机只会带来灾难性的后果，所以在发现尾桨故障之后，立即操纵进入自转下滑状态是最好——也许是唯一的选择）

由于自转下滑性能的存在，当直升机一旦发生空中停车故障等各种事故，而需要紧急迫降的时候，其下滑角可以在很大的范围内调整，着陆之后可以不需要，或者只需要很短的滑跑就能停住，从这个意义上来讲，直升机的着陆环境需求和着陆安全性都要远好于固定翼飞行器，因为后者要求有足够长而平坦的迫降场地，而这种迫降场地，对于大多数紧急情况来说是未必存在的。

此外，上述关于驾驶直升机进入自转下滑以及进行自转着陆的内容限于篇幅，仍然删减了一些相对没那么关键的操纵问题，后续时间允许我也会考虑继续完善本文，感兴趣的读者也可以从我列出的参考资料中参阅更多的细节。

欢迎针对本文内容的任何讨论和指正。

@ 主要参考材料

1. Wikipedia——Autorotation
2. John Fay
3. 王适存

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