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藤子不二雄二位老师问：“啥叫扭矩？啥叫角动量守恒？我们耳朵不太好看不见。” 当然，哆啦A梦来自未来，也许竹蜻蜓已经使用了逆天的超微型静音桨尖喷气动力系统。这个后面说。 在现实世界中，第二大困扰直升机设计师的技术难题恐怕就是如何平衡旋翼带来的扭矩了。（第一大问题是旋翼的复杂流场，这个以后说）。 什么是扭矩问题呢？绝大部分的直升机的结构差不多，就是机身装发动机，发动机通过轴把动力传递给头顶上呼啦啦转的大风扇（旋翼）。旋翼旋转产生升力，直升机就拔地而起了。 这时，飞机——旋翼是一个整体结构。根据角动量守恒定律，在一个系统在没有外界动量改变的情况下，动量保持不变。直升机的发动机高速旋转，带动旋翼转动。这是额外增加的动量，而驾驶员和乘客显然不能一边转圈圈一边谈笑风生。为了让平衡这种动量，必须带进来一股新的，与旋翼旋转增加的动量大小相等方向相反的动量。 从宏观上看，这需要一股对抗直升机扭转的力量，所以也叫反扭矩。 现代直升机之父伊戈尔西科尔斯基不是第一个让直升机飞起来的人，但是他设计制造试飞的VS-300直升机却用不同以往的方式实现了扭矩的平衡。 西科尔斯基在飞机后部安装了一根尾巴，在尾巴末端装了两个小螺旋桨，一个朝上吹，可以解决如何让直升机低头抬头的问题。另一个朝侧面吹，用来对抗机身的扭转趋势。通过改变这个螺旋桨的转速，直升机还能很方便的实现左右旋转的控制。 目前，从只能带一个人的超轻型直升机 到可以吊起一架大型客机的超重型直升机 采用西科尔斯基创立的单旋翼+尾桨布局的直升机是最多的。 有时候它们看起来可能不那么典型。比如空客直升机（原欧洲直升机公司）最喜欢的涵道尾桨布局。 这种布局是把尾桨包裹在了尾巴里。 更极端的是麦道曾经大量使用的无尾桨布局。比如下面的MD520N。 它在粗尾巴里布置了一台风扇，通过吹风直接反扭和利用主旋翼的下洗气流绕过圆柱形尾梁产生的康达效应共同对抗主旋翼的扭矩。 之所以大家这么大费周章，是因为尾桨是一个非常危险的玩意儿。尾巴那么长，直升机也没个好用的后视镜，起飞降落的时候哇哇转的尾桨要是打到了什么东西，花花草草粉身碎骨不说，被尾桨直接开了瓢的倒霉蛋也不少。为了让大家好好吃午饭，那种图我就不放了。 打坏了东西事小，碰坏了直升机往往是大事，失去了尾桨抗扭功能的直升机马上开始扭着秧歌失去控制。 不管是涵道尾桨还是无尾桨设计，都是为了让直升机更安全。 但这并不能真正解决问题。为了用更小的力量平衡扭矩，杠杆的力臂就得长，长长的尾巴很占地方，本来直升机是为了减少对起降场地要求的。这下还得找一个半径很大的空地才行。尾巴短点吧，尾桨就得消耗更多的功率，这些功率纯属浪费。 其实另外一种解决方案早在西科尔斯基之前就存在了。那就是，多弄几幅螺旋桨，有的顺时针转有的逆时针转，不就平衡了吗？ 这是四旋翼直升机，是不是很眼熟啊。它是现在满天都是的四旋翼无人机的鼻祖。
原理上很简单，而且只需要调整四个旋翼的转速就可以完成包括上升下降、前飞后飞、左转右转的各种动作。问题是当年用机械的方式很难控制四套旋翼，而且占地面积大、气动效率不高，所以在机械直升机的时代，四旋翼或者更多旋翼没有市场。 但是微机电技术的进步让它在小型无人机领域大放异彩。 四个太多，变成两个也许好些。 一前一后，叫纵列双旋翼布局。比如西科尔斯基公司的CH-47支奴干重型运输直升机。 一左一右，叫横列双旋翼布局。比如前苏联米里设计局的米-12重型直升机。 平衡扭矩的原理都是一样的。 这种样子，对体量庞大的重型直升机来说，还可以接受。然而轻型直升机就犯难了，机身本来就不大，怎么布置两套旋翼呢？ 于是，共轴双旋翼就诞生了。两幅旋翼上下叠在一起。最热衷共轴双旋翼布局的是前苏联（俄罗斯）的卡莫夫设计局，下面是卡-26轻型直升机。 共轴双旋翼的难点在“轴”上。说是共轴，上下两幅旋翼其实是两个轴，要不然怎么正反转？一个轴是空心的，中间穿过另一个轴。这就给机械加工提出了很高的难度。 还好，对功率要求极低的电动小型玩具，这个不难，所以，现实中的哆啦A梦竹蜻蜓是这样的。 还有一种更偏门的双旋翼，叫交叉双旋翼。最擅长这个布局的是美国卡曼公司。 看着是不是很危险，两幅旋翼是如何做到不打架的呢？话不多说，看动图。 有没有武术套路对练的感觉？跟感觉不一样，倾斜双旋翼非常靠谱且稳定，特别适合用来吊挂运输物品。 直升机如何抗扭，基本上就这些招了。最后留两个问题给大家吧。 问题1：下面这种飞行器叫旋翼机，看起来很像直升机，但是旋翼不是靠发动机驱动，而是迎风旋转。别看它屁股上也有个螺旋桨，但是这个螺旋桨是产生推进力的。问，它为什么不需要平衡扭矩？
问题2：下面这几种直升机，通过桨叶末端的小发动机喷气产生旋转的动力。它们为什么不需要抗扭？ |
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