Автожир представляет собой летательную машину тяжелее воздуха, С точки зрения конструкции автожир можно назвать самолетом с вращаю­щейся несущей поверхностью, так как последней является авторотирующий (свободно вращающийся) винт-ротор большого диаметра и малого геометриче­ского шага, расположенный над фюзеляжем так, что ось его нормальна (или близка к нормали) оси фюзеляжа. Авторотирует винт-ротор от воздей­ствия потока воздуха, возникающего при движении машины. Необходимая тяга для сообщения автожиру поступательного движения создается винтомоторной группой, ничем не отличающейся от винтомоторной группы самолета. Автиротирующий винт-ротор, как несущая поверхность, выгодно отличается от неподвижного крыла прежде всего тем, что он не имеет на больших углах атаки критического состояния, обусловленного у неподвижного крыла нарушением обтекания профиля (срыв струй). Это обстоятельство делает автожир гораздо безопаснее самолета. Так, если при потере скорости самолет, теряя подъемную силу и управляемость, беспорядочно падает или переходит в штопор, то у автожира его несущая поверхность – ротор - при потере скорости не сразу перестает вращаться в силу инерции; уменьшение же подъемной силы ротора, вызванное потерей скорости и оборотов, заставит автожир перейти в парашютирующий спуск, при котором восстановятся и обороты и подъемная сила ротора. Так как ротор автожира в полете все время находится в состоянии вращения, то наиболее эффективные сечения его лопастей даже при малых поступательных скоростях автожира имеют относительные скорости, достаточные по величине для того, чтобы ротор развивал подъемную силу, равную весу машины.

Идея применения авторотирующего винта в качестве несущей поверхности и ее блестящее практическое осуществление, несмотря на ряд больших трудности, принадлежат испанскому инженеру Де-ля-Сиерва.
Главная трудность при использовании авторотирующего винта как несущей поверхности заключалась в том, что в полете, когда плоскость вращения винта совпадает с направлением поступательной скорости или наклонна к нему под некоторым углом i (рис. 1), при винте с жестким креплением лопастей появляются значительные по величине опрокидывающие моменты - поперечный, относительно оси xx, и продольный, относительно оси zz, стремящиеся опрокинуть аппарат на бок и назад.

Удачное развитие конструкции автожира повело к теоретическим изысканиям по несущему авторотирующему винту-ротору.
Так, например, в 1926 г. появилась работа Пистолези. В 1927 г. была опубликована Глауэртом теория автожира. В 1928 г. ее развил и дополнил Локк. Можно также указать на несколько работ итальянских аэродинамиков (Ферарри, Цистолези, Уго-де-Кариа), относящихся к работе винта в боковом потоке и частично затрагивающих авторотирующие винты, однако все они, за исключением указанных работ Глауэрта и Локка, рассматривают работу авторотирующих винтов с лопастями, не имеющими махового движения, и, стало быть, не вполне аналогичную с работой ротора автожира.

Выше было сказано, что несущий винт-ротор при движении автожира свободно вращается - авторотирует. Состояние устойчивой авторотации несущего винта является абсолютно необходимым условием при всех возможных летных режимах автожира, потому что необходимая подъемная сила развивается только на авторотирующем винте. Кроме того, лопасти ротора, при наличии шарнирного крепления к втулке, могли при отсутствии достаточной скорости вращения закинуться вверх под действием подъемной силы ввиду недостаточной величины распрямляющей их центробежной силы.

Формулы теории Глауэрта - Локка выведены для ротора, имеющего любое число лопастей. Каждая лопасть прикреплена к втулке горизонтальным шарниром, позволяющим ей производить взмахи в плоскости, проходящей через продольную ось лопасти и ось ротора. Вертикальный шарнир крепления лопасти, позволяющий ей колебаться в плоскости вращения, не принимается во внимание при рассмотрении движения лопасти. Хорда и угол установки по длине лопасти берутся постоянными, хотя в действительности конец лопасти обычно имеет закругление, а близко у корня хорда уменьшается. Изменение хорды и угла установки вдоль лопасти по какой-либо другой зависимости от  радиуса не отразятся на методе расчета, но значительно усложнит его.

Каждая лопасть ротора при полете автожира имеет три вида движения:
поступательное движение вместе со всей машиной со скоростью V,
вращательное вокруг оси ротора при установившейся авторотации с постоянной угловой скоростью Ω,
периодическое маховое движение относительно горизонтального шарнира ГШ.

Поступательную скорость V ротора, имеющего угол атаки i°, можно разложить на две составляющие (фиг. 52); нормальную к оси ротора, лежа­щую в плоскости вращения V cos  i и параллельную оси ротора - V sin i.
Помимо скорости V воздух относительно плоскости вращения ротора имеет индуктивную скорость (скорость, вызванную ротором) v.
Направление индуктивной скорости можно приближенно установить, исходя из следующих соображений. Согласно теореме о количестве движения направление индуктивной скорости будет прямо противоположно направлению полной аэродинамической силы ротора, а так как главным компонентом последней является тяга, силы Н и S малы по сравнению с T_k, то, стало быть, можно считать, что индуктивная скорость направлена по оси ротора.

Рассмотрим скорость воздуха относительно элемента лопасти dr, отстоящего от оси ротора на расстоянии r; лопасть имеет угловое положение ψ и угол взмаха β. Взятый элемент кроме скоростей, имеет еще угловую скорость вращения Ω вокруг оси ротора и угловую скорость махового движения  . Относительную скорость воздуха у элемента разложим на две составляющих: на радиальную, направленную по продольной оси лопасти, и на лежащую в плоскости, нормальной к продольной оси

Зная скорости воздуха относительно элемента лопасти dr, определим элементарные силы и элементарный крутящий момент. Для выражения сил и момента в аналитической форме необходимо сделать следующие допущения
Угол ф (фиг. 53) считается малым.

Имея выражения для элементарных сил, нетрудно получить полные силы одной лопасти, а затем и ротора.
Это мы можем сделать, воспользовавшись уравнением махового движения лопасти и условием равенства нулю крутящего момента ротора при установившейся авторотации.

Уравнение махового движения напишем, исходя из условия равенства нулю суммы моментов всех сил лопасти относительно горизонтального шарнира, а именно (фиг. 59)

Для выяснения махового движения па разных режимах и изменении угла β по ψ а так же для выяснения влияния махового движения на истинный угол атаки α сечения по вышеприведенным формулам сделан подсчет для ротора, имеющего следующие употребительные в практике параметры:
γ=10; Θ=2˚

Для аэродинамического расчета удобно иметь характеристики ротора, отнесенные к поступательной скорости V, т.е. коэффициенты подъемной силы и лобового сопротивления ротора. Определение коэффициентов подъемной силы и лобового сопротивления, а также качества ротора при определенном угле атаки ротора, а стало быть и получение поляры, можно вести двумя следующими способами.
Способ непосредственного подсчета. Подъемная сила и лобовое сопротивление ротора (фиг. 63) выражаются через тягу Т и продольную силу Н следующим образом:
     (38)

Качество ротора и коэффициента подъемной силы зависят, как это видно из уравнения предыдущего параграфа, от следующих параметров:
δ - среднего профильного сопротивления;
А - тангенса угла наклона кривой Cμ   по α для профиля лопасти;
k - коэффициента заполнения;
Θ - угла установки лопасти;
γ - отвлеченной величины 

На фиг. 70 даны характеристика ротора, имеющего параметры А = 3, δ = 0,006, γ = 10, Θ = 2˚, k=1,0 и характеристика монопланного крыла, имеющего размах, равный диаметру ротора, и относительное удлинение λ = 6. Крыло имеет тот же профиль что и лопасть ротора автожира (Геттинген429),причем коэффициент подъемной силы крыла в целях сравнения отнесен к площади круга отметаемого ротором.
Приблизительное значение индуктивного сопротивления, отнесенного к Сy нанесено на фиг.68 пунктиром; оно будет одинаково для обеих несущих поверхностей.

Аэродинамический расчет автожира делается с целью определения его летных характеристик, как то:
1)    горизонтальных скоростей - максимальных и минимальных, без снижения;
2)    потолка;
3)    скороподъемности;
4)    скорости по траектории при крутом планировании.

Для выполнения аэродинамического расчета автожира необходимо вычислить поляру всего автожира. Почти все существующие автожиры помимо основной несущей поверхности - ротора - имеют еще небольшое неподвижное крыло, расположенное под ротором. Поэтому прежде всего в нашу задачу должно войти определение поляры комбинированной несущей поверхности, состоящей из ротора и крыла; очевидно, что, имея такую поляру, будет легко получить поляру всего автожира простым прибавлением вредного сопротивления к лобовому сопротивлению ротора и крыла.

 

Имея поляру автожира, мы можем приступить к вычислению и построению кривой потребных тяг для горизонтального полета у земли.
Ввиду того, что автожир может совершать горизонтальный полет при больших углах атаки (благодаря тому, что у него нет срыва струй, как у самолета), тяга его винта будет давать вертикальную слагающую и уравнения установившегося равномерного горизонтального полета для автожира при определенном угле атаки i напишутся так:
     (55)
где G0 - полный вес автожира, Ф - потребная тяга пропеллера, τ - угол между осью пропеллера и плоскостью вращения ротора (плоскостью вращения считается плоскость, перпендикулярная к оси ротора).