直升機從懸停到前進，這個姿態變化中的扭矩是怎麼產生的？

01-09

我們知道直升機在懸停時懸翼提供升力（尾槳克服懸翼旋轉產生的扭矩）；在前進時，懸翼向前的分力使直升機向前運動。但是從懸停到前進這一姿態變化是需要一個扭矩的啊，這個扭矩是怎麼產生的？

這裡同學挺多，所以我一般不回答專業問題，而且回答專業問題，顯得自己好low的樣子。不過我還是準備好好的說一說這個問題，免得別人說沒有專業人士。

看了幾個回答，說的都不錯，點出了通過周期變距操縱可以讓旋翼前傾，從而產生向前分力，使直升機前飛，但是關鍵沒有說出來——旋翼是如何前傾的？

這個問題屬於飛行力學範疇，先給大家介紹一下槳轂（鉸接式，有多種形式）：

AH-64（阿帕奇）槳轂

看著很複雜，對吧，那就看看抽象之後的--還是很複雜：

注意這張圖，裡面有些專業術語，今天主要要講的是：揮舞運動，變距運動，變距連桿和變距搖臂結構。擺振運動先不用管。

揮舞運動：觀察一下上圖，揮舞鉸是平放的，所以槳葉可以繞著這個鉸上下運動，運動幅度不大，目的是防止直升機側傾（知道就好）。

變距運動：繞著變距鉸槳葉可以轉動，這樣就可以改變槳葉的迎角啦。

1. 槳葉剛體模態揮舞運動方程

變距和揮舞運動的配合使得旋翼可以前傾，從而使直升機由懸停到前飛，那麼這兩者是如何配合的呢？

想是想不出來的，還得靠數學（大一的小孩要學好數學哇）。下面就來詳細說說這個揮舞運動，假設槳葉是剛性的，下圖只保留了揮舞鉸（左下角）。

槳葉在運動過程中受到的力：氣動力，離心力，重力，慣性力。重力沒有畫出來，相比幾十上百噸的離心力，重力就是個戰五渣，知道槳葉的工作環境多麼糟糕了吧，哈哈。

圖中， $eta$ 是揮舞角，是個很小的角度，向上揮舞為正，力矩逆時針為正。

慣性力： $Delta I=mdrcdot frac{d^{2} eta }{dt^{2} } cdot r$ 力臂： $r$

離心力： $Delta C = mdrcdot Omega^{2}cdot r$ 力臂： $rcdot sineta approx r eta$

氣動力： $Delta F$ 力臂： $r$

根據達朗貝爾原理，這些力關於揮舞鉸的力矩處於平衡狀態：

$int_{0}^{R}(Delta Icdot r+Delta Ccdot reta -Delta Fcdot r)=0 Rightarrow$

$int_{0}^{R}( mdrcdot frac{d^{2} eta }{dt^{2} } cdot rcdot r + mdrcdot Omega^{2}cdot reta cdot r-Delta Fcdot r)=0$

定義槳葉質量慣矩： $I_{b} =int_{0}^{R} mr^{2} dr$ 氣動力矩： $int_{0}^{R} Delta Fcdot r=M_{F}$

上面式子可以簡化為： $frac{d^{2} eta }{dt^{2} } + Omega ^{2}eta = frac{M_{F}}{I_{b} }$ ，這就是傳說中的 槳葉剛體模態揮舞方程，是不是so easy啦。。。

想必上過大學物理的對這個都不陌生吧：

質量-彈簧系統運動方程： $mfrac{d^{2} x }{dt^{2} } +Kx=f(t)$

槳葉剛體模態的固有頻率： $omega _{n} =sqrt{frac{k}{m} } = Omega$ 。恩，這裡先按下，韜光養晦。

2. 氣動力矩

不要著急，氣動力矩就出來。

氣動力： $Delta F=frac{1}{2} ho V^{2} cdot alpha a_{infty }cdot bdr$

來流速度 $V$ 和迎角 $alpha$ 具體表達式複雜，這裡就不詳細展開了。但是重點必須get到，定常飛行情況下，直升機每一片槳葉轉一圈， $V$ 和 $alpha$ 就要循環一次，所以它倆都是轉動速度 $Omega$ 的函數，那麼 $M_{F}$ 也是 $Omega$ 的函數。Fourier展開： $M_{F} = M_{F0} +M_{Fc}cos(Omega t)+M_{Fs}sin(Omega t)$ ，這裡只保留了基階，因為基階的振幅最大。

聰明的你，看到這裡是不是知道了什麼？

對的，此時槳葉剛體揮舞運動處在以氣動力激振下的共振狀態。共振狀態有什麼特點？位移的相位落後激振力相位90°，這裡也按下，擱置爭議，共同開發。

3. 變距連桿和變距搖臂

前面說到了變距運動，變距就是讓槳葉的迎角變大變小，這是通過變距連桿和變距搖臂實現的。你一定覺得是這樣實現的：

紅色的叫動環（旋轉環），隨著槳轂和槳葉一起轉動，橙色的部分是變距連桿。

藍色的叫不動環（不旋轉環），和直升機的操縱系統相連，黃色的是操縱桿系。

當前後左右推動駕駛桿時，黃色的連桿就會拉動不動環。駕駛桿往哪個方向推，那個方向的連桿就會把相連的不動環的相應位置往下拉，從而把動環也往下拉，通過連桿最終改變槳葉的迎角。

如果你覺得確實是這樣，那就too young了。我是夢中跟王適存老師談笑風生的人，我推的公式沒什麼卵用，你不覺得可疑嗎？

事實上，上面的結構是錯的，正確的結構是這樣的：

觀察一下上邊的圖，跟前面一副圖是不是稍稍不同，變距連桿在動環上的點和對應的槳葉上的點相位差了90°。看到這裡，你應該明白了點什麼。如果還不明白，我就以懸停轉前飛為例，講一下整個流程。

看一下這幅圖，圖上標出了不同的方位角：

懸停轉前飛的邏輯過程：

前推桿 =&> 180°處不動環向下運動，0°處不動環向上運動 =&> 相應位置的動環運動相同 =&> 180°處的動環上的連桿和搖臂把90°處的槳葉迎角變小，相應的270°處槳葉迎角增大 =&> 迎角大，氣動力大，所以90°處氣動力最小，270°處氣動力最大 =&> 位移相位落後氣動力激振力90°，從而180°處槳葉揮舞高度最低，0°處槳葉揮舞最高，看起來是這樣：

這樣旋翼產生的氣動力就有向前的分力了，直升機就前飛了，so easy。。。

我的答案較冗長，請看這個比較專業的答案。

直升機從懸停到前進，這個姿態變化中的扭矩是怎麼產生的？ - 榆城海盜的回答

關於 @彭弘毅問題的更新，飛機沒在身邊只能找找網上的圖了~

答主不是專業學直升機，確實分不清大型直升機的三個鉸，有時間我繼續看看直升機空氣動力學……不過我的答案裡面揮舞鉸的說法應該是確定無誤的。

模型直升機也是直升機，直升機一定會揮舞

重說三……………………………………………………………………………………………………

先上一張圖說明模型直升機的結構，模型直升機雖然結構與大型直升機原理類似，但是具體實現起來結構種類還是比較多，這裡亞拓700E DFC舉例，飛機是無副翼結構，三個斜盤舵機直接驅動傾斜盤。其他型號的模型可能不一樣，個人覺著亞拓的飛機是最簡潔可靠的。

先上700直升機全身圖（這個真不是亞拓硬廣……大家都知道……）

下圖是700旋翼頭、傾斜盤、連桿、部分舵機的圖。

然後再看說明書上的旋翼頭結構，下圖中紅圈位置即是橡膠橫軸墊圈。圖中旋翼頭固定座裡面那根軸就是橫軸，我們不嚴格地叫中軸。左右兩側有logo的特別大的部件是槳夾，左右槳夾與橫軸之間用「橫軸軸套螺絲」剛性連接，然後橫軸與「金屬旋翼固定座」之間就是用紅圈內的橡膠橫軸墊圈互相接觸。這個分解圖上的零件左邊也有，左右兩個橡膠圈架住橫軸，橡膠圈可以變形，所以旋翼頭整體就構成了類似蹺蹺板的結構。

直升機旋翼頭主要執行總距控制和周期距控制兩個功能，總距變化且無周期距變化時，左右旋翼角度一樣，旋轉時左右旋翼升力相同，理論上左右橡膠圈的變形程度一樣，旋翼槳尖平面水平。

控制傾斜盤傾斜，有周期距操縱時，左右旋翼在傾斜盤和連桿的作用下，單個旋翼角度會周期性的變大變小，每旋轉一圈是一個周期。同樣轉速下自然槳矩大的時候升力大，槳矩小的時候升力小，所以每旋轉一圈單個旋翼的升力也在做周期性變化。

相對應的，左邊旋翼升力最大的時候，右邊旋翼升力最小，右邊旋翼轉到左邊的時候，由於槳矩變大了自然就成了升力最大的旋翼。與旋翼頭剛性連接的橫軸每一時刻都在承受來自兩頭、周期正好差了180度的周期扭矩，這時候橫軸就成了蹺蹺板。如果蹺蹺板中心是剛性連接……就斷了。所以架兩個橡膠圈上去，起揮舞鉸的作用，避免橫軸被太多的周期載荷扭斷。

再上一張圖是傾斜盤的結構

旋翼頭下面就是傾斜盤。模型直升機的傾斜盤分兩部分，紅色方框里是轉動部分，跟隨旋翼頭轉動，並把下面不轉部分的位置改變通過連桿機構傳遞給旋翼頭。方框下面的就是與斜盤舵機連接的部分。上下兩部分的連接用到了牛眼軸承，裡面就是。再來一張某寶上450的傾斜盤照片

中間那個就是牛眼軸承~~~~

下面是原回答

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以上jingxuan zhou 同學的答案已經很詳細，有關直升機飛行原理的內容就不多說了。看你的問題里問從懸停狀態到前飛狀態的扭矩，這裡特別說一下啦。

的確有一個扭矩扭轉了旋翼的升力方向，但是這個扭矩不是讓直升機前飛的直接原因，直接原因是總升力有向前的分力。關於如何產生向前的分力，之前答案里說的很清楚，就是飛行員進行周期變矩操縱改變了旋翼前半部分與後半部分的升力，隨後旋翼旋轉平面前傾，然後向前的分力就產生了。只是後續發生的事情，不同直升機表現的不一樣。

一般重型直升機，機身重慣性大，受限於材料性能，旋翼和槳轂等部件不可能做的剛度太大，否則容易斷。重型直升機為了減小旋翼根部的扭矩，在結構上旋翼和槳轂一般設計成鉸接方式，旋翼可上下活動，特別是直升機停在地面時能看到旋翼會垂下來。開始前飛的時候，旋翼平面傾斜會比較明顯，但是由於機身較重，旋翼經主軸傳遞到機身上的扭矩較小，機身姿態改變的比較慢，旋翼平面比機身向前傾的角度大的多。

輕型直升機，因為飛機輕慣性小，動力富裕，旋翼強度相對足夠，所以槳轂剛性可以強一些，有利於提高操縱性。旋翼和槳轂的剛性變大後，旋翼平面相對機身改變位置時，主軸會從旋翼到機身傳遞更大的旋轉力矩。由於輕型直升機機身比較輕，所以機身跟隨旋翼的速度也比較快，看起來就是整個飛機都傾斜。

武裝直升機，這裡特指能做筋斗機動的武裝直升機，旋翼的剛性都比較大，旋翼材料比較先進，發動機動力特彆強勁。旋翼揮舞現象依然存在，不過因為旋翼、槳轂、主軸剛性都比較強，前飛時機身能快速跟隨旋翼的位置變化。這樣的好處就是操縱性好，飛機機動性強，不好的是對上述部件的材料性能要求高了。不過這也是必須的，如果旋翼太軟，武直機動一下旋翼就把尾部機身打斷了可不好。

然後是模型直升機，常見模型直升機有兩個旋翼，槳轂結構與大型直升機不同，旋翼與槳轂之間並不是可以上下活動的鉸接形式，而是便於收納的前後活動。一般情況，模型直升機槳轂頭裡面會設計有一根鋼製中軸，軸的兩端與旋翼用槳夾和螺絲連接，在主軸方向上基本可視為剛性連接。但是槳轂頭的整體結構並不是剛性，中軸和槳轂頭之間墊有橡膠圈，類似於蹺蹺板的結構。所以模型直升機在改變姿態時，旋翼也得揮舞，不然單個旋翼的周期性載荷分分鐘把大槳中軸扭斷。就是飛行時基本看不出來明顯揮舞，只有把飛機固定在台架上操縱周期變矩才能明顯看出來旋翼平面的位置變化。雖然飛行時感覺水平分力是由整機傾斜產生，但是旋翼平面傾斜才是主要原因，機身傾斜也是這個原因的結果。

通過機械結構調整翼槳角度，然後就往前飛了。So easy。

直升機狗來答一答⊙﹏⊙

看到題目的那一瞬間，我彷彿想起了老師某次上課提問我，而我卻沒有答出來的一個問題。

直升機從懸停轉入前飛需要神馬操作？

有些答主已經說了，懸停轉前飛是需要向前推桿的。

直升機的獨特之處就在於，它的幾乎全部飛行動作都要依靠對旋翼的操縱。

從懸停到前飛，要想獲得題主說的「扭矩」，就需要前推桿這個操作。因為操縱與揮舞是等效的，原來懸停時旋翼實際是一個倒錐形，前推桿之後，倒錐形會向前傾斜，因而拉力矢量會向前傾斜，此時拉力矢量的延長線與直升機機體的重心之間就有一段距離，也就是「力臂」，這樣就產生了所要的「扭矩」。

下面補充一點小姿勢。

實際上懸停轉前飛非常複雜，前推桿之後，本來與重力平衡的拉力向前傾斜，此時的拉力分量不足以平衡重力，直升機就會掉高度，因此要進行一個操作:

提總距。

總距控制各片槳葉的迎角，提總距後迎角增大，拉力也增大，這樣就可以平衡重力。

這就完了么？並沒有。

總距一般與油門聯動，總距增大後油門增大，發動機輸出的功率增加，旋翼的反扭矩也隨之增大，如果沒有修正的話，尾槳提供的扭矩不能與之匹配，直升機就會打轉，於是還要踩腳蹬（具體踩左踩右要看直升機的類型嘍）

然而踩腳蹬就大功告成了么，並沒有。

尾槳與直升機的機體重心也會存在高度差，這種情況下會產生一個滾轉力矩，所以飛行員又要哭了。。。

再往後，其實我也不知道了。以上分析都沒有考慮加入了現代的自動控制機構，只是從飛行力學角度的一個觀察角度，目的在於讓你知道，直升機這玩意的飛行力學很複雜呀（也叫相互耦合）。

老師常說，有些東西光說是不行的，只有看到了公式，你才會承認，哎，這玩意還真是這樣的。然而我並不打算寫公式，因為題主好像只想簡單了解一下下原理。

這個回答不完全正確，請大家參考常青藤的答案，感謝他的提醒

這個問題大部分的人的理解有偏差…

直升機在飛行中

旋翼平面相對機身是不變的

只是螺旋槳的槳距在周期內變化。

大家可以想一下，對於如此高速旋轉的一個物體，而且直徑比較大，轉動慣量也很大，如果槳和機身之間的角度改變，是不容易的。

每一片槳的角度可以變化，一般在航模中把這個角度叫做槳距。槳距有連接在槳上面的連桿控制，連桿下邊連接著十字盤，所有連桿長度相同。伺服機改變十字盤的方向，十字盤通過連桿改變槳距。槳每轉一圈，就是一個周期，在這個周期內，每一個位置槳距都不同。

因為槳轉到每一個位置槳距不同，產生的升力也就不同，可以理解成槳轉的時候，槳下吹得風每個地方大小不一樣，所以使得槳平面偏轉所以有了向各個方向的分力。這時，機身也隨著槳變化的方向變化了，機身是跟著槳平面一起動的，也就是說:

其實是槳自己給自己提供了力矩

為什麼我們有飛機向前飛的時候有槳偏轉到了前方的感覺呢？是因為一般直升機是向前飛行的，為了讓飛行員坐的水平，所以直升機的槳平面相對於機身本來就是前傾的。

原直升機班學生看哭了。。。居然還有人關注直升機

直升機班同學看哭。。。

不是又專門產生了向前飛的扭矩，是改變了懸停時升力的方向。

周期變距桿（駕駛桿）是改變升力方向的操縱裝置。懸停時駕駛桿中立升力垂直向上，前推駕駛桿使整個槳盤前傾（升力垂直於槳盤），所以直升機前飛。

直升機螺旋槳的每一個葉片與旋轉平面都有一個夾角知道吧，在一定範圍內夾角越大升力就越大。所以，只要讓轉到直升機前方的葉片夾角小於轉到後方的葉片夾角，螺旋槳前後的拉力不平衡，致使螺旋槳旋轉平面往前傾斜，傾斜到一定角度後，恢復前後葉片夾角相等，這樣就產生一個往前的拉力了。前後左右的移動都是這麼實現的。

直升機從懸停過渡到前飛時，向前頂駕駛桿，駕駛桿通過機械連接靜傾斜盤，靜傾斜盤傾斜，使得上方的動傾斜盤帶動變距連桿從而達到周期變距的作用。如果往前頂桿，直升機旋翼會在左側增大槳葉角，右側減小槳葉角（左轉旋翼直升機）又因為陀螺的進動性，其作用發生在旋轉的90度方向上，所以在槳盤後部旋翼向上揮舞，前部向下揮舞，此時直升機旋翼錐體將發生向前傾斜，所以水平分量的拉力就產生了，直升機就會往前走...學疏才淺，有不足的地方歡迎補充

看文字不是很直觀，有興趣的人可以下載一個叫做Besiege的遊戲，這個遊戲裡面可以建造各種機械，當然直升機也是可以的，其中傾斜盤直升機的原理和現實中直升機的飛行原理類似，可以幫助理解。

順便安利一下這遊戲，理工科的大神可以造出很多好玩的東西。

以下是貼吧的一篇相關的教程帖

http://tieba.baidu.com/p/4342457896?share=9105fr=share

沒什麼乾貨，匿了

以前也好奇過這個問題，早就在網上搜索過相關的原理，通俗點說，直升機在前進，後退，或者左右側傾斜時，每個槳片的傾角實際上在高速的周期性的發生改變（特殊的機械結構所致）比如需要前進時候，每轉到飛機後方的槳片會曾加傾斜角，從而實現更大的升力，機身前後槳片的升力差產生了力矩。

樓上諸位已經詳細介紹了直升機的傳動結構，剩下的兩張圖簡單看懂

地效懸停時的狀態

開始前飛

玩GTA5的切實感受

提總距來的、功率變大、槳葉傾斜角、然後右舵跟上向前頂桿

簡單說就是總距控制和周期距控制，依次為關鍵詞搜索一下就可以。而且網上不少視頻…

直升飛機往前飛有三種方法可以實現：

1.重心偏前部，這樣飛機就會傾斜，就可以實現前飛

2.螺旋槳的旋轉軸前傾，也會往前飛

3.漿葉本身與水平面夾角變化也會產生水平方向的力

身為南航直升機班的碩士畢業生，我要看哭了。

哎，原理性的東西太多了，我也整不明白。你說的是懸停到增速的過程，在機艙里我們會向前穩桿，槳盤前傾，產生一個向前的力，直升機就動起來了，由於現在產生了向前的力導致向上的拉力不足，直升機有可能出現下沉，這就補總距就好了，別忘了舵的作用，補的量以能保持增速線的均勻為準，然後速度逐漸增大，速度大了之後直升機會趨於穩定，等到速度增大到一個值之後，你就可以轉入上升，再然後你就可以開飛機去做喜歡的事了。至於力學的東西慢慢分析唄，各位別噴我

前三個答案要結合來看

首先，直升機的旋翼其實就像一把倒立的雨傘，可以向各方向傾斜。

早期的直升機旋翼都是帶揮舞鉸的，旋翼可以上下擺動，使得旋翼平面可以相對飛機機體向個方向傾斜，此外，前飛時旋翼左右相對來流不對稱，兩邊升力不對稱，會有滾轉力矩產生，力矩大了飛機就側翻了~揮舞鉸的引入，解決了這個問題。

直升機的控制是通過周期變矩，周期變矩使得旋翼平面升力分布產生變化。比如，左側的旋翼槳矩最大，右側最小，則旋翼平面前傾，這裡面涉及到一個90°的相位延遲，有點類似於陀螺的進動。旋翼平面前傾以後就產生前向的分力啦~

另外，一般揮舞鉸都有一定的偏置，所以還會有槳轂力矩產生，使得機身也前傾。現在絕大多數直升機，尤其是武裝直升機，都是在旋翼根部採用複合材料製成的柔性元件，就看不到明顯的揮舞鉸了，但還是有揮舞的功能，這樣的設計變化是為了提供更大的槳轂力矩，更快速地改變機身姿態，提高機動性。

通過手腳控制腳蹬子和桿，保持飛機的姿態。哪兒有那麼多為什麼～