2.1.2 旋翼飞行平台
旋翼飞行平台即旋翼航空器平台，旋翼航空器是一种重于空气的航空器，其在空中飞行的升力由一个或多个旋翼与空气进行相对运动的反作用获得，与固定翼航空器为相对的关系。现代旋翼航空器通常包括直升机、旋翼机和变模态旋翼机三种类型。
旋翼航空器因为其名称常与旋翼机混淆，实际上旋翼机的全称为自转旋翼机，是旋翼航空器的一种。
旋翼航空器飞行平台系统主要可分为机架/机身、旋翼、起落装置、动力装置和机载设备。在旋翼类飞行器中产生的升力和姿态控制的力绝大多数来自旋转的旋翼；固定翼飞机由动力装置提供前进推力/拉力，由机翼产生升力。也正是因为这种不同造成了旋翼类航空器和固定翼的飞机在飞行性能与适用领域上的巨大差异。由于前面已经介绍过飞机平台的系统，因此，功能和特性类似的系统就不再赘述，本节主要介绍旋翼。
首先，旋翼并不是螺旋桨。螺旋桨是指靠桨叶在空气或水中旋转，将发动机转动功率转化为推进力的装置。螺旋桨可有两个或较多的桨叶与桨毂相连，桨叶的向后一面为螺旋面或近似螺旋面的一种推进器，而桨叶的向前一面向前鼓出，沿着桨叶做一个周向切面，就会发现这个切面就是一个标准的翼型，用于和空气或者其他介质相对运动产生流体动力。螺旋桨可分为用于船舶的水下螺旋桨和用于飞机的空气螺旋桨。为了使螺旋桨桨叶各个位置能在升阻比较大的有利迎角工作，提高效率，获得较大的拉力和较小的阻力矩，所有桨叶在结构上有一个扭转的角度，即桨叶角。螺旋桨工作时，桨叶各点的线速度随半径变化，接近桨尖的线速度远大于桨根的线速度。如果整个桨叶都是同样的迎角，在桨尖上产生的升力大于桨根处，为了保证整个桨叶的气动力矩分布均匀和提升效率，应减小桨尖处的桨叶角，增大桨根处对应的桨叶角，这些原因综合起来就造成了螺旋桨的桨叶角从桨尖到桨根应按一定规律逐渐加大，所以更为确切地说，螺旋桨是一个扭转了的机翼（图2-18）。
图2-18 直升机旋翼主轴上复杂的变距机构
直升机是一种由一个或多个水平旋转的旋翼提供升力和推进力而进行飞行的航空器。直升机具有大多数固定翼航空器所不具备的垂直升降、悬停、小速度向前或向后飞行的特点。这些特点使得直升机在很多场合大显身手。直升机与固定翼飞机相比，具有速度低、耗油量较高、航程较短的缺点。
旋翼是旋转的机翼。产生升力的原理与固定翼飞机的机翼相同，只是整体非常细长，沿半径方向迎角变化很小，也就是说旋翼几乎是不扭转的，即使有也很小，不像螺旋桨那样明显。旋翼的旋转平面上产生的空气动力：一方面克服直升机重力；另一方面整个旋转平面倾斜产生水平方向的分力，实现了直升机前飞、倒飞、侧飞等控制，具备了固定翼飞机操纵舵面的功能。一般来说，螺旋桨仅仅是通过旋转产生空气动力实现某一方向的运动，它的旋转平面几乎不倾斜，而旋翼会小范围的倾斜。早先，在无人机领域我们看到大部分的固定翼飞机都使用螺旋桨，而直升机安装旋翼，目前，在民用消费级多轴无人机上出现的情况是用多个电动机带动多个螺旋桨的构型。多轴飞行器也属于直升机的构型，在人类早期研究直升机时，很多采用了多轴多螺旋桨的构型，当时的人们认为这种构型最为对称，应该最好控制，结果实践发现，并不如人所愿，相反单一旋翼加尾桨的构型逐渐成为直升机的主流。直到现在微机电、微电子技术、集成电路大规模发展，利用计算机进行增稳控制才实现了多轴多桨的直升机构型。
其次，无人机的螺旋桨（图2-19）可以固定桨距使用，也可以采用可调桨距使用，以适用不同的发动机转速，发动机意外停车时能够顺桨，飞机降落时可以反桨，但是其旋转平面不会发生变化；旋翼除变桨距的功能（没有顺桨功能）外，还有周期变距功能。另外，为了适应尺寸巨大的桨叶的柔性变化及消除科氏力的影响，除变距铰外，还设计有挥舞铰和摆振铰。由于旋翼还牵涉姿态的控制，所以还设计有自动倾斜器，通过自动倾斜器实现了旋翼旋转锥面的前倾、后倒与左右的偏斜。一般单旋翼加尾桨布局、共轴双旋翼，串列双旋翼，横列双旋翼，交叉双旋翼都是直升机的主流布局，都采用的是旋翼。大于等于三轴的直升机都是采用了螺旋桨，是利用全部螺旋桨旋转产生升力，而不同轴的螺旋桨的转速不同实现了姿态控制。由于是螺旋桨相对尺寸较小，也有利于小功率的动力装置带动，加减速特性相应也更好，更有利于飞行控制，有利于整体缩小飞行器尺寸。使用螺旋桨能明显降低整个飞行平台的运行机械部件数量，降低故障率，现在常见的消费级电动多轴无人机可动部件就仅是电动机了，其余的全部是电缆或导线束相连，将运行机构减到最低，大大降低了故障发生概率。
图2-19 无人直升机螺旋桨
自转旋翼机简称旋翼机或自旋翼机，是旋翼航空器的一种。它的旋翼没有动力装置驱动，仅依靠前进时的相对气流吹动旋翼自转以产生升力。旋翼机大多由独立的推进或拉进螺旋桨提供前飞动力，用尾舵控制方向。旋翼机必须像固定翼航空器那样滑跑加速才能起飞，少数安装有跳飞装置的旋翼机能够原地跳跃起飞，但旋翼机不能像直升机那样进行稳定的垂直起降和悬停。与直升机相比，旋翼机的结构非常简单、造价低、安全性也较好，一般用于通用航空或运动类飞行。
自转旋翼机的设计各种各样，但大多数设计的基本构成要素是相同的。一架具备基本功能的自转旋翼机通常包括机身、动力系统、旋翼系统、尾翼和起落架五个部分（图2-20）。
图2-20 自转旋翼无人机
（1）机身：提供其他部件的安装结构。
（2）动力系统：提供旋翼机向前飞行的推力，在飞行时和旋翼系统无关。
（3）旋翼系统：提供旋翼机飞行所必需的升力和控制能力。常见的是带桨毂倾斜控制的跷跷板式旋翼，也可以采用全铰式旋翼。
（4）尾翼：提供稳定性和俯仰、偏航控制，与固定翼飞机的尾翼功能类似。
（5）起落架：提供在地面上的移动能力，类似固定翼飞机的起落装置。最常见的为前三点式起落架。
最后，自转旋翼机和直升机都是旋翼类航空器，虽然也有类似直升机一样的旋翼，但是这个旋翼有着明显的不同：
第一，旋翼一般是固定桨距的，不存在周期变距操纵。
第二，旋翼是被动旋转，除在地面起飞前的主旋翼预旋功能外，其他时间所有的旋翼旋转都是被气流吹动导致的风车效应产生升力，这样的被动旋转就使得自转旋翼机的旋翼旋转时所产生的反扭矩很小，自转旋翼机也就不需要尾桨或反转的旋翼来抵消反扭矩，只需要垂直安定面和方向舵就完全可以抵消微小的反扭力了。但是，自转旋翼机必须和固定翼飞机一样连续不断地前进才能获得相对气流使旋翼产生风车效应，因此可以看出自转旋翼机不能和直升机一样在某个地点上空稳定悬停。
第三，自转旋翼机的旋翼由于是被相对气流吹动旋转，所以，它的旋转平面在飞行时主要是向后倾倒。虽然桨盘旋转轴可以实现前后左右的倾倒，但并不是为了像直升机那样实现前飞、倒飞和侧向飞行。而是和固定翼飞机的副翼很像，是为了略微压坡度实现侧倾，它的向前倾倒不是为了让飞行器前飞，而是为了降低旋翼升力，使旋翼机下降高度。自转旋翼机的前飞就是由发动机带动螺旋桨实现推进或拉进的。
第四，自转旋翼机的旋翼是利用风车效应产生升力的。这是非常安全的一种升力产生办法，即使发动机停车，自转旋翼机也能轻松着陆。虽然直升机也可以利用风车效应让主动旋转的旋翼变成通过风车效应被动旋转而产生升力，这也是直升机驾驶员必须掌握的一项应急操纵技能——直升机的自旋着陆。但是，从主动旋转产生升力到风车自转产生升力有一个过渡区，这需要一定的时间和空间来转换。因此，直升机一旦发生发动机失效的情况，必须利用一定高度及水平飞行速度来让旋翼尽快达到风车自转状态。如果发动机失效的情况正好是发生在直升机低空低速飞行的时候，那就很危险了，此时直升机可能还没有穿越过渡区，就已经接地坠毁了。
一般来说，直升机发动机失效后的自转着陆过程是这样的：一开始直升机的飞行员要把主旋翼的总距都会放到最小，利用飞行高度换取飞行速度，尽快让旋翼从正常的动力飞行阶段通过过渡区转入风车自转阶段，旋翼产生风车效应从而获取升力能够保持住机体姿态；接下来就是高速下滑的过程，飞行员要寻找好迫降场地，到了最后的接地阶段是要看准时机迅速提起总距并向后带周期变距操纵杆。前者是让整个旋翼平面获得更大的升力减缓垂直接地速度；后者是让旋翼平面向后倾倒，用升力的后向分量减缓机体的前行速度，最终实现在迫降场的安全着陆。
而自转旋翼机的旋翼一直就是在风车自转状态飞行，因此，即使发动机停车也丝毫不影响其安全的飞行，无论是正常起降操控还是发动机停车后的迫降都很容易，操作方法也区别不大。对于自转旋翼机而言，完全没有直升机在发动机失效后的那些操作动作或阶段，唯一让飞行员考虑的就是选择好迫降场地然后执行正常的着陆动作就可以了。自转旋翼机因为其安全的飞行方式及相对低的制造成本，使其越来越受到航空爱好者的欢迎。只是在无人机领域，以自转旋翼机为飞行平台的无人机还不是很多。
多轴无人机（图2-21）是一种具有三个及三个以上旋翼轴的特殊的直升机。其通过每个轴上的电动机转动，带动旋翼，从而产生升推力。旋翼的总距固定，而不像一般直升机那样可变。通过改变不同旋翼之间的相对转速，可以改变单轴推运力的大小，从而控制飞行器的运行轨迹。由于其结构简单，便于小型化生产，近年来，在小型无人直升机领域大量应用，常见的有四轴、六轴、八轴飞行器。它的体积小、质量轻，因此携带方便，能轻易进入人不易进入的各种恶劣环境。与传统直升机相比，它有许多优点：旋翼角度固定，结构简单；每个旋翼的叶片比较短，叶片末端的线速度慢，发生碰撞时免磕碰。发展到如今，多轴飞行器已可执行航拍电影、取景、实时监控、地形勘探等飞行任务（图2-22）。
图2-21 多轴无人机
图2-22 飞行中的旋翼机