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人类很早就有飞行的心愿，最先想制造的飞行器之一是直升机，我国明代发明的玩具竹蜻蜓可以说是现代直升机的雏形。可是直升机第一次试飞成功却是1930年，具有实用价值的升空是1939年，到1945年才真正作为飞行器提供使用，比普通飞机晚一些。
直升机跟有固定机翼的飞机不一样，由于它能够垂直起降，能够向任意方向飞行，还能像吊灯一样悬停在空中，起飞和降落又不需要很大的场地，所以在现代农业、军事、救助、运输等领域得到了极为广泛的应用。
现代直升机种类很多，按结构型式可分为：单旋翼尾桨式、双旋翼横列式、双旋翼纵列式等。由于单旋翼尾桨式直升机构造和操作系统比较简单、成本低，所以，较其他型式的直升机应用更为广泛，本文试以这种机型为例，谈谈直升机的基本结构和飞行中一些简单的力学常识。
一、升空原理
汽车用车轮向后推路面，自身获得路面的反作用力向前运动；轮船用螺旋桨将水向后推，自身获得水的反作用力向前行驶。竹蜻蜓本身是一个带转柄的螺旋桨，当小孩用手搓动它的转柄旋转起来时，它就推动空气向下流，自身获得空气的反作用力升空，如图1所示。如果在转柄的下端安一个轻盒，盒中装一台重量轻、功率大的小发动机，用发动机驱动转柄旋转，这个装置就成了能够升空的玩具直升机，轻盒相当于机身，发动机带动的竹蜻蜓相当于本文要着重介绍的直升机旋翼。现代直升机尽管结构复杂，功能完善，原理却跟竹蜻蜓一样，升空靠的是旋翼推动空气向下流获得空气的反作用力——拉力。
二、基本结构及各部件功能简介
单旋翼尾桨式直升机主要由以下六个部分组成。
1.机身：直升机的主体部分。飞机的各部件都安装在机身上，内部空间用于装载空勤人员、旅客、燃料、设备及其他物资。
2.旋翼和尾桨：直升机获取空气动力的关键性部件。本文将在后面对旋翼的基本结构及其在飞行中的作用作专门介绍。
3.动力设施：主要指发动机。作用是通过传动系统驱动旋翼和尾桨旋转以获取空气拉力。目前用于直升机上的发动机有活塞式和涡轮轴喷气式（不是靠尾喷管向后喷气来获取推力的发动机）两种。涡轮轴喷气式发动机功率大，重量轻，维护简单，较活塞式先进。但活塞式发动机有历史较久，制造经验丰富、价格便宜、耗油量小的优点，所以在许多轻小型直升机上仍然被广泛使用。
4.传动系统：由传动轴、离合器、减速器等组成。作用是将发动机输出的动力传递给旋冀和尾桨，使之在较低的转速下旋转
5.操纵系统：由驾驶杆、自动倾斜器、脚蹬、油门变距杆等组成。直升机的各种飞行动作都是驾驶员通过对操纵系统的控制实现的。操纵驾驶杆控制自动倾斜器，可使直升机向任意方向飞行；操纵脚蹬可使直升机转弯；操纵油门变距杆可使直升机上升或者下降。
6.起落装置：主要用于直升机在地面滑行和停放时支撑机身，着陆时起缓冲作用。常见的起落装置有轮式、滑橇式等。可在水上起落的直升机一般采用浮筒式。
三、旋翼的基本结构及其在飞行中的作用
旋翼就是安装在机身上方的大螺旋桨。工作时在发动机的驱动下旋转，推动空气向下流动获取拉力，在直升机只沿竖直方向上升、下降或者悬停时起的作用跟竹蜻蜓是一样的。旋翼的结构比竹蜻蜓复杂，功能也比竹蜻蜓多，直升机升空和在空中完成各种飞行动作，几乎全都仰仗于旋翼的功能。
1.基本结构。
旋翼主要由能够在发动机驱动下旋转的桨毂和安装在桨毂上的2～6片桨叶组成，每片桨叶都通过三个铰链以铰接的方式与桨毂连接。这三个铰分别是：轴向铰、垂直铰和水平铰，如图2所示。桨叶在随桨毂一起旋转的同时，可以绕三个铰进行三种运动，即沿轴向铰转动、绕垂直铰摆动和绕水平铰挥舞。
2.三个铰的作用及对三种运动的控制。
（1）轴向铰及对桨叶绕轴向铰转动的控制。直升机的各种飞行动作都与旋翼拉力有关，拉力大小取决于在单位时间内向下方推出的空气质量和速度的乘积。如果旋翼转得快，翼弦与旋转平面的夹角（又称桨距）大，这个乘积就大，拉力也大。直升机飞行时，一般将旋翼控制在额定转速下旋转，用控制桨距的办法控制拉力大小。方法是用变距拉杆拉动变距摇臂，使桨叶沿着轴向铰转动。图2所示的旋翼，从机身向上看是沿逆时针方向旋转的，当变距拉杆向上动作时桨距增大，桨叶鼓风加快，拉力增大。反之减小。拉力增大时，发动机的功率消耗也会增大，为了使转速不下降，必须增大发动机油门。这样，要使直升机上升，驾驶员只要上提油门变距杆，自动倾斜器带动变距拉杆向上运动使桨叶的桨距增大，旋翼拉力随之增大，飞机就上升。在这同时，发动机的油门也被开大。所以改变桨距与改变油门大小两者是联动的。
（2）垂直铰及桨叶绕垂直铰的摆动。旋翼旋转时会因桨叶沿旋转平面向前、向后的冲击使叶根受到频繁弯折，时间长了由于金属疲劳有可能造成折断事故。设置垂直铰，让桨叶在旋转中有少许摆动余地，可起缓冲作用。所以是从结构强度上考虑的。为了防止摆动幅度过大引起的振动，要在垂直铰上安装减摆器（图2未画出），以消耗桨叶摆动的能量。
（3）水平铰及对桨叶绕水平铰挥舞的控制。在旋翼上设置水平铰，目的是为了使旋转着的桨叶在空气拉力作用下可以沿桨毂的轴向上下挥舞。桨叶与桨毂不固定死能够起到以下两个作用。
①避免直升机倾覆。如果桨叶与桨毂做固定连接，那么直升机就只有在竖直方向做匀速上升、下降运动或者悬停时，才能保证每一片桨叶无论转到运动轨迹中的哪个位置都与空气的相对速率相等，受到空气的拉力相等，整个旋翼受力平衡。向别的方向飞行，比如要向前飞情况就不同了。设想直升机以水平速度v[，1]向前飞，桨叶相对机身以平均速率v[，2]沿逆时针方向运动，这时左侧与航线垂直位置的桨叶相对空气的平均速率是v[，1]+v[，2]，而右侧浆叶相对平均速率就只有v[，1]-v[，2]，如图3所示。相对速率大的一侧桨叶鼓风快，获得拉力大，小的一侧拉力小。左右两侧桨叶这种不对称拉力对飞机重心的力矩有可能使直升机倾覆。在直升机的初期研制时，由于人们对不对称鼓风的原理缺乏认识，采用竹蜻蜓固定式旋翼，结果在试飞中飞机倾翻了。用水平铰连接就不一样了，因为铰能够传递作用力，不能传递绕其轴向的力矩，所以在叶根只有向上的拉力，不会有拉力形成的力矩，既能有效地避免倾覆，又能减轻桨叶根部的厚度，从而减轻了旋翼的重量，这对直升机是有益的。
1.桨叶旋转方向 2.相对机身的水平气流方向 3.直升机前进方向
②控制桨叶挥舞高度可控制直升机的飞行。有固定机翼的飞机，靠把空气向后推获得牵引力，靠机翼相对空气的运动获得举力实现飞行。直升机既没有固定的机翼，也没有直接将空气向后推的螺旋桨或者喷气机构，它完全是依靠拉力的竖直分力腾空，水平分力克服空气阻力前进，即旋翼对直升机既提供举力，又提供牵引力。
旋翼拉力是这样产生的：当直升机停在地面上时，桨叶因自身重力绕水平铰下垂；开动发动机，旋翼旋转起来以后，每片桨叶都因向下鼓风获得空气拉力而向上抬起（即桨叶上挥）。达到稳定转速时，由于空气拉力和桨叶旋转的惯性离心力共同作用，整个旋翼转动构成的外观形状犹如一个倒立的锥体，锥体轴线的指向就是各片桨叶所受拉力合力的方向。锥体轴线向哪个方向倾斜，合力的水平分力就指向哪个方向，直升机就向哪个方向飞。如图4所示。驾驶员是通过控制旋冀锥体轴线指向来控制直升机飞行的。使锥体轴线倾斜，最早的办法是将旋翼主轴向前倾，由于这种前倾会造成严重机械振动，所以后来改用“自动倾斜器”完成倾斜。自动倾斜器是一种自动使桨叶作用周期性改变桨距的机构，安装在桨毂的下方。要使直升机向前飞，驾驶员只要通过驾驶杆操纵它，使旋翼的每块桨叶在绕桨轴细线旋转中，逆着飞行方向运动时，桨距逐渐增大，顺着飞行方向运动时，桨距逐渐减小，每转一周，桨距周期性地改变一次。这样，因为在飞行方向上，后方桨叶的桨距总大于前方，所以后方桨叶受的拉力总比前方大，上挥总比前方高，整个旋翼锥体轴线就向前倾斜了。同样的道理，要使直升机向右飞，只要控制自动倾斜器，使左方桨叶的桨距大于右方即成。
3.尾桨的作用。
尾桨就是安装在直升机尾部的小螺旋桨。它的轴线沿水平方向与机身前后的连线垂直，作用是控制飞行方向并保证直升机在飞行时不打转。设置尾桨的原因是：旋翼在旋转时，除了获得空气拉力以外，也获得与旋转方向相反的空气作用力。直升机腾空后，这种作用力对重心的力矩会使飞机沿着旋冀旋转的反方向打转。有了尾桨，由发动机驱动它旋转，就会在机尾产生水平拉力，用水平拉力的力矩来平衡打转力矩，直升机就不打转了。驾驶员还可以通过脚蹬控制尾桨拉力的大小以改变飞行方向。尾桨的结构跟旋翼差不多，但尺寸比旋翼要小，它也是靠控制桨距来控制拉力大小的。
四、直升机的无动力着陆
飞行着的直升机，如果发动机突然熄火停转了，这时，驾驶员应立即操纵离合器使旋翼与发动机脱开，并减小桨距，使旋翼仍然沿原方向旋转获取空气拉力，跟滑翔飞行相似继续前飞。然而飞行高度会越来越低。快接近地面时，驾驶员突然增大桨距，以增大旋翼拉力，使直升机安全着陆。如果操作得当，无动力着陆跟正常着陆没有多大区别。所以一旦发动机在空中突发故障，直升机比有固定机翼的飞机要安全得多。