旋翼机不会失速，英国致命事故率却是同重超轻型机的13倍以上？

什么让旋翼机的旋翼转动？

是什么让旋翼机的旋翼转起来？从远处看，旋翼机像一架小型直升机。它顶部有一副长旋翼，就是在飞行员头顶旋转的那组桨叶。但在常见布局中，发动机装在后方，带动飞行员身后的螺旋桨。

那副螺旋桨像小飞机的螺旋桨一样，把飞机向前推。那顶部的大桨叶又是谁带动的？人们常会搜：旋翼机的旋翼是怎么工作的？也有人想知道一架要多少钱，安不安全。

这些问题都会说到。先说名称。Gyrocopter、gyroplane 和 autogyro，都是同一种飞行器：旋翼机，也叫自转旋翼机。gyroplane 是 FAA 在手册中使用的正式名称，FAA 指的是负责监管美国飞行的美国联邦航空管理局。

Gyro-Copter 起初是一种美国设计的名称，后来这个词流传开了。这里的 gyro 来自一个表示圆环或圆圈的希腊词。名字虽像，旋翼机并不靠陀螺飞行。这类飞行器的故事，始于1919年西班牙的一次坠机。

它牵涉直升机、第二次世界大战，还有英国的一次事故调查。调查发现，从1989年到2004年，英国旋翼机发生致命事故的比例，超过同等重量超轻型飞机的13倍。故事最后还会讲到价格。不过先看旋翼。

看起来像直升机，但

先从它看起来像的那种飞机说起。直升机的发动机带动旋翼。旋转的桨叶把空气向下推，托住直升机。驱动旋翼有个副作用：直升机机身会想往反方向转。

所以多数直升机都有小型尾桨，用来抵消这股扭转。旋翼机没有尾桨，因为自由旋转的旋翼不需要装置来抵消扭转。正常飞行时，发动机和旋翼之间根本没有传动轴。FAA 手册称它是靠“自由旋转的旋翼”获得升力的飞行器。

唯一的例外，是起飞前。许多旋翼机能在地面短暂把发动机接到旋翼上，让桨叶先转起来，这叫预旋。最基本的旋翼机，飞行员干脆用手转动桨叶。起飞滑跑前，这个连接会断开，向前滑行的气流把旋翼继续加速到飞行转速。

所以在空中，发动机只负责把飞机向前推。可桨叶在整个飞行中一直都在转。结果之一是，旋翼机不能像直升机那样悬停在空中一个位置。FAA 手册说，飞得很慢时它会快速下降，所以必须持续穿过空气飞行。

这就是线索。

会飞的风车

看看旋翼机的旋翼是怎样倾斜的。桨叶扫出的圆盘叫旋翼盘，它向后倾，背离飞行方向。螺旋桨把飞机向前推时，空气从前下方撞上这个倾斜的圆盘。FAA 手册说得很简单：气流向上穿过桨叶，旋翼因此自由旋转。

这叫自转：气流穿过旋翼，让它持续转动，没有发动机驱动。换句话说，旋翼机靠一架被自己拖过天空的风车托起来。但风车转动，是因为风推着它。同一股空气怎么既能带动桨叶，又能托起飞机？

从侧面看一片桨叶。空气一部分从前方而来，因为桨叶在转；另一部分从下方而来，因为飞机正进入倾斜的旋翼盘。空气作用在桨叶上的总气动力，是桨叶升力和阻力的合力。在桨叶的一部分上，这股力会微微向前倾，落在旋转轴前方。

这样向前倾的力，会把桨叶拉着转过去。这种让物体转动的力，叫扭矩。如果你看过我们讲风力涡轮机为什么转得那么慢的视频，就见过这张图。那里也是空气作用在桨叶上的力发生倾斜，其中一部分变成带动旋翼的扭矩。

旋翼机的旋翼原理相同，只是它向后仰着。区别在于扭矩去了哪里。风力涡轮机把扭矩交给发电机，用来发电。旋翼机则用这股扭矩维持旋翼转动，同时整个旋翼盘产生升力。

不过，不是桨叶的每个部位都在拉着它转。FAA 把自转中的旋翼分为三个区域。在驱动区，气动力向前倾，让旋翼加速。靠近翼尖的从动区，气动力向后倾，让旋翼减速。

靠近中心时，桨叶迎角太大，会失速。失速就是空气不再平顺地流过机翼，机翼会突然失去升力。对于一架发动机关闭、垂直下降的直升机，FAA 手册给出了大致比例。桨叶长度内侧的25%处于失速状态。

驱动区大约位于桨叶长度的25%到70%之间。最外侧约30%是从动区。驱动区带来的加速，与另外两区的减速平衡时，旋翼转速就会稳定。旋翼机章节没有给出百分比，所以这些数字只是粗略示意，不是旋翼机的测量值。

直升机飞行员在发动机失效时，也会利用同样的物理原理。飞行员让旋翼进入自转，直升机就在旋翼下方受控下降。旋翼机只是始终都在这种状态下飞行。

不会失速的飞机

那么，为什么要造这样的飞行器？答案要从一位名叫 Juan de la Cierva 的西班牙工程师说起。1919年，他设计的一架轰炸机参加了西班牙军用航空竞赛。一次试飞中，它飞得太慢，失速了。

飞机坠毁报废，飞行员却活了下来。谢尔瓦因此认为，固定翼飞机有些局限无法克服。美国一部飞行史这样写：这次坠机让他相信，航空安全需要不会失速的飞机。固定翼飞机需要速度，机翼才能工作。

飞得太慢，机翼迎角太大，就会失速。在近地高度，这可能致命。谢尔瓦的想法，是给飞机装上即使飞机减速也会持续运动的机翼。旋转的机翼。

事实上，FAA 手册直言：旋翼机不会失速。但这句话是警告，不是夸耀。完整原文是：“因为旋翼机无法失速，降低空速来提高爬升率，可能很诱人。”即便如此飞得太慢，旋翼机还是会下降得更快。

通常，空速降到零时，它的下降速度约为最佳滑翔速度时的两倍。发动机停转后，旋翼仍会自转，飞机在旋翼下方下降。旋翼机的旋翼单位面积承载重量低于直升机，所以它自转下降时通常比直升机慢。

接地前，飞行员会向后拉操纵杆，做一个叫拉平的动作，消掉大部分下降和前进速度。所以旋翼机不会像固定翼飞机那样失速。记住这一点，因为它仍然可能遇到麻烦。

翻过去的旋翼

谢尔瓦最早的旋翼飞行器没有飞起来。早期机器一加速，常常会向侧面翻倒。原因是任何向前运动的旋翼都会面对的不平衡。想象一副旋翼正向前穿过空气。

一侧的桨叶迎着来流运动。另一侧的桨叶则顺着来流运动。前行桨叶遇到空气更快，所以产生更多升力。后退桨叶遇到空气更慢，所以升力更小。

这叫升力不对称：旋翼一侧的升力大于另一侧。桨叶如果太硬，这种不平衡会让整架飞机翻滚。但谢尔瓦造的一个小模型飞得很好。他意识到，区别在于模型的桨叶有弹性。

它们转动时会自行上下弯曲，平衡两侧的升力。所以在全尺寸旋翼上，他把每片桨叶用铰链装到轮毂上，让它能上下挥舞。升力更大的前行桨叶会稍微上升，升力随之降低。后退桨叶会稍微下降，升力随之增加。

两侧就平衡了，飞机不会翻倒。1923年1月，谢尔瓦的 C.4 在马德里附近的赫塔费机场首次飞行。飞行员 Alejandro Gómez Spencer 中尉让它飞了约183米。1月31日，它完成了约4公里的闭合航线飞行。

当时记录对确切日期说法不一，但那个月，旋翼机首次在官方观测下飞行。挥舞铰链比旋翼机本身存续得更久。FAA 自己的手册说，它对现代直升机的成功至关重要。

旋翼机热潮

1928年，美国人 Harold Pitcairn 买了一架谢尔瓦的飞机进行评估。第二年，他买下了美国地区的相关权利，开始制造当时常写作 autogiros 的旋翼机。皮特凯恩的 PCA-2 获得美国型号合格证，也就是获准制造和销售该飞机设计复制品的正式批准。1931年4月8日，Amelia Earhart 驾驶一架皮特凯恩旋翼机飞到一万八千四百一十五英尺，约五千六百米。

当时，这被报道为该类飞行器的纪录。几周后，在一家口香糖公司的赞助下，她驾驶一架旋翼机横越美国。1931年9月23日，一名海军飞行员让旋翼机在 USS Langley 航空母舰上降落并再次起飞，共三次。这是美国海军首次从舰艇开展旋翼机飞行行动。

1931年4月22日，一架旋翼机降落在白宫草坪，当时胡佛总统向皮特凯恩颁发了科利尔奖，这是一项重要的美国航空奖。1939年7月6日，一架旋翼机开始把邮件从新泽西州 Camden 的机场运到费城总邮局屋顶。据《纽约时报》报道的一次试运行，这段航程用了六分半钟。

旋翼机邮政航班也曾在芝加哥、新奥尔良、洛杉矶和华盛顿飞行。20世纪30年代，英国皇家空军试用谢尔瓦旋翼机执行陆军协同任务。第二次世界大战中，它们因能缓慢而稳定地飞行，被用来协助校准雷达站。德国为同一原理找到了更简单的用途。

Focke-Achgelis Fa 330 是一种完全没有发动机的旋翼风筝。浮出水面的潜艇用约300米长的缆绳拖曳它。迎面气流带动旋翼，它能把观察员升到远超100米的高度，最高约220米。从那里，他能看到约50公里外、超过30英里远的地方，而从潜艇指挥塔上只能看到约8公里外。

仅靠气流维持转动的旋翼，没有发动机驱动。

把铰链交给直升机

那为什么今天到处看不到旋翼机？记住，它们能慢飞，却不能悬停。无论是降落屋顶、接人，还是停留在一个地点上空，这都很重要。20世纪40年代，实用直升机出现了，它们能做到旋翼机做不到的事：悬停。

史密森尼邮政博物馆说，旋翼机航空邮政“随着直升机航空邮政服务的出现而被取代并终止”。研究旋翼飞行器历史的航空航天工程师 Gordon Leishman 写道，旋翼机为直升机提供了基础技术，例如带铰链的旋翼桨叶，并大大加快了它的发展。1951年，皮特凯恩的公司起诉美国政府，称为政府制造的直升机使用了它的旋翼专利。

Vertical Flight Society 称它是美国历史上持续时间最长的专利侵权诉讼。它在1977年10月结束。谢尔瓦没有看到直升机取代旋翼机。1936年12月9日，他乘坐一架 KLM 客机，在浓雾中从伦敦附近的 Croydon 机场起飞。

飞机起飞不久后坠毁，15人死亡，其中包括谢尔瓦。他当时41岁。

后院旋翼机与事故

旋翼机以另一种形式回来了：一种可以在家自己造的飞机。曾在美国参与直升机工作的工程师 Igor Bensen，于1955年12月首次驾驶他的 Gyro-Copter 飞行。它按图纸制造，图纸售价约30美元。按当时币值计算，一套现成套件售价995美元。

史密森尼称它是20世纪最受欢迎的自制飞机之一。英国旋翼机设计师 Ken Wallis，甚至在1967年詹姆斯·邦德电影《You Only Live Twice》中驾驶了自己的机器。无论按图纸还是买套件，在家就能造出来。但“不会失速”不等于安全。

2004年，英国航空事故调查局 AAIB 在一份关于一起致命事故的报告中研究了旋翼机安全。报告统计，自1989年以来英国发生了15起致命旋翼机事故。依据英国民航局估算的飞行小时数，致命事故率为每十万飞行小时二十七点一宗。超轻型飞机约为2起。

轻型固定翼飞机约为1.1起。这让旋翼机的致命事故率超过同等重量超轻型飞机的13倍。到底出了什么问题？想想螺旋桨从哪里施加推力。

它施力的那条线，叫推力线。在许多简易自制旋翼机上，发动机装得很高，所以推力线从重心上方通过，重心就是飞机重量平衡的位置。FAA 手册警告，在这种情况下，一加动力，旋翼机就倾向于机头下俯。

通常，旋翼会抵住这股下俯力，撑住机头。但如果飞行员过快前推操纵杆，旋翼承担的重量会突然减少。这叫旋翼卸载。卸载后的旋翼会减速，可能再也撑不住机头。

同一份 FAA 手册说，如果旋翼负荷突然消失，有些旋翼机的机头会突然下俯。在推力线高于重心、又没有足够水平尾翼的飞机上，FAA 警告，下俯可能变成“自我维持且不可逆”。手册把这称为 buntover，也叫 power pushover。

手册还描述了飞行员诱发振荡：飞行员的修正与飞机脱节，上下摆动会迅速加剧。那份2004年报告中的事故，涉及一架按 Bensen 图纸制造的自制旋翼机。那架旋翼机没有水平尾翼，推力线在重心上方约4.8英寸，也就是约12厘米，远超格拉斯哥大学研究人员建议的2英寸上限。

水平尾翼是机尾一片小型固定翼，帮助稳定机头。AAIB 还引用了美国旋翼机团体 Popular Rotorcraft Association 对1999年至2002年美国致命事故的研究。研究发现，所有与俯仰不稳定有关的致命事故，都发生在没有水平尾翼的飞机上。所以危险并不是失速。

很大一部分来自飞机构型：高推力线和没有水平尾翼。

修复了什么，还留下什么

英国早已开始寻找原因。1989年至1991年间，一连串原因不明的致命事故涉及轻型旋翼机。1991年 AAIB 审查后，格拉斯哥大学在1993年至2008年研究旋翼机。他们使用风洞、机载仪器飞行试验和数学模型。

他们的主要发现，是质心与螺旋桨推力线的相对高度。他们称它为关键参数。英国旋翼机设计规则 BCAR Section T，依据他们的研究作了修改。最近一次更新在2011年，澳大利亚和加拿大采用了相同的设计要求。

英国设计指南现在规定，推力线与重心之间的距离上限约为2英寸；超过这个范围，制造商必须咨询监管机构。主要制造商也降低了发动机下方机架，让螺旋桨更靠近重心。但修正一种危险，不会消除所有危险。

2020年11月12日，在苏格兰高地，一名学员飞行员独自驾驶双座 Cavalon 旋翼机。飞行中，旋翼头与飞机分离，飞行员死亡。AAIB 在2024年11月发布了报告。报告发现，一连串机动带来的载荷造成了结构超载。

报告说，飞行员可能无意中进入低G状态，此时旋翼已卸载。这种低G状态可能超出了飞机手册规定的限制。AAIB 提出了四项安全建议。低G是指旋翼短暂承受很少的飞机重量，所以一切感觉都比平时轻。

这就是刚才说的旋翼卸载。卸掉旋翼机旋翼上的负荷，它就可能减速。所以这里的风险，不是谢尔瓦担心的固定翼失速。而是让这副旋转的机翼不再承重。

我们找不到可公平比较的现代旋翼机近期事故率，所以不能说它们现在和其他轻型飞机一样安全。致命事故仍在发生，包括2020年旋翼头在飞行中脱落的那次坠机。

一架旋翼机要多少钱？

现在来看一个人们最常搜索的问题：一架旋翼机要多少钱？价格取决于国家、年份和包含的内容，所以每个例子都会说明年份。在2021年的AirVenture上，一款名为JK-2 Nano的单座套件配有38马力发动机，标价约两万六千美元。它为符合美国超轻型飞行器规定而制造，这套规定叫 Part 103。

按这套规定，在美国驾驶它不需要飞行员执照，甚至不需要体检合格证。双座套件贵得多。2014年，一本美国杂志列出同一制造商三种型号的套件，价格约70,000到120,000美元。在美国，它们以套件形式出售，机主会参与组装。

2026年，意大利制造商 Magni 的新双座旋翼机，报价约为十万至十七万五千美元，视型号和汇率而定。在英国，一架2018年制造的二手双座机，标价还不到卖家所说新机价格的一半。还有培训：一所美国学校收费约每小时275美元，包含燃油和教员。

已有运动飞行员执照的飞行员，增加旋翼机等级通常需要10到20小时。美国新的轻型运动航空器规定从2025年10月开始分阶段生效。从2026年7月起，工厂制造的旋翼机首次可以获得轻型运动航空器类别认证。运动飞行员本来就能驾驶旋翼机，改变的是飞机可以怎样制造和销售。

所以在这些例子中，飞上天最便宜的方式，是自己组装一套小型单座套件。无论价格如何，事故记录说明设计和训练都很重要。

被风带动的机翼

那么，是什么让旋翼机的旋翼转起来？飞机前进时，空气向上穿过倾斜的桨叶。正常飞行中，发动机不驱动旋翼。每片桨叶都有一部分把空气的推力变成扭矩，就像风力涡轮机的桨叶。

这股扭矩维持旋翼转动，旋转的旋翼托住飞机。Juan de la Cierva 想造一架飞得太慢也不会失速的飞机。他在一副由风带动的机翼中找到了答案。它也有自己的弱点：突然让旋翼卸载，会使它减速并让飞机向前俯冲。

经过多年的事故与研究，人们才理解了这一点，也修改了规则。旋翼机把航空邮政的工作输给了直升机。但直升机在发动机停转后安全下降时，至今仍在使用同样的物理原理。