爱吱声

标题: 歼-20C的传说 [打印本页]
作者: 晨枫    时间: 2023-2-14 04:14
标题: 歼-20C的传说
本帖最后由 晨枫 于 2023-2-13 14:18 编辑
& K  B) ^1 E: u2 n! s5 j( G! W7 a. }
《流浪地球2》上映后，歼-20C成为热门话题。这当然是电影里的情节，但歼-20C是否……能够……成真？很遗憾，基本上不可能。) ~) `7 q8 v  e9 ?* P. b- C7 h3 M

9 |0 R( Z' c! {4 d" @ 7 W: T. h1 R" V& q0 i- ~0 [
《流浪地球2》里出现歼-20C，谁都知道这是电影里虚构的，但谁都会遐想一番：没准这是真的呢？
& l* D7 E& ]7 u8 L
- l" z5 k) ]( V4 D' {$ }9 Z5 x9 c 0 f, j+ B6 T3 C9 _& _& p2 S
在电影里，歼-20C是可垂直起落的歼-20改型，在思路上接近F-35B
* ~1 y: m2 C/ {3 O
, V) ?' Y% l/ y
1 z7 V0 h3 ?; H还有人认真地画出三维图: `2 K* P- ~* d6 q5 d
8 k# ]9 ^/ I9 M* v" z
垂直起落战斗机可算战斗机研发历史上的一株奇树，五花八门的设计可能超过其他“常规”战斗机的总和，有奇思妙想，也有胡思乱想，最终都脱离不开一个关键问题：如何产生足够而且可控的直接升力。$ [7 l! u/ C* f+ A. K( R

3 P9 A! B5 A1 Y飞机如何产生升力的主流理论是贝努利理论，还有下洗气流理论和环流理论。现在的难题是难以用同一理论解释所有情况下的升力产生，所以只能在不同场合用不同的理论。这不重要，重要的是，所有这些理论都试图解释机翼如何产生升力，而机翼只有在前进运动具有足够速度的时候才能产生升力。要从静止到起飞，需要有足够长的跑道加速，才能达到这个速度。: p+ _; j  N+ @) C/ b& k
5 ~3 f& g* D; J! u( n( \
直升机利用相对运动的原理，飞机不动，但“机翼”可以动起来，产生升力；静止的飞机难以使得“机翼”产生直线运动，那就用圆周运动代替。不过旋翼型的直升机在理论上就不可能超过音速的一半，倾转旋翼、复合旋翼也各有各的问题，需要超音速的战斗机用旋翼是没有指望了。9 H5 {, Q5 S4 b
" p; Z, ^' G' n# w: v
超音速垂直起落战斗机就是要避开跑道，直接起飞和着陆，只有用某种手段产出直接升力。
! j+ s. k3 f. w6 m! K- l; m% k- t9 \2 Z' z: h$ c, y
历史上，无数人尝试过用单独的升力发动机、升力发动机与巡航发动机完全合一、部份合一等各种组合。“鹞”式战斗机是升力发动机与巡航发动机完全合一，没有单独的升力发动机。雅克-36采用单独的升力发动机，巡航发动机不参加垂直起飞、着陆。F-35B介于两者之间，升力风扇只产生升力，不产生推力，但主发动机可在升力和巡航状态之间转换。
4 t; Y1 X" G2 M& [2 V
& g  j( R/ Q. n6 @在理论上，完全合一的升力-巡航发动机的死重最小，“没有一磅用于纯升力发动机”。在实际上，升力-巡航发动机合一只有安装在重心位置，才能通过“四立柱”原理在垂直起飞、着陆时控制前后左右的平衡。“鹞”式因此从一开始就堵死了自己的进一步发展道路：
* h! o8 C$ Z" ~% t+ S. t9 h% R) d# E$ N4 @
1、只能单发，否则多发之间的精确同步很难做到，但不能同步的多发就是直奔悬停中失衡失事去了+ g1 E" p# ?+ g( ?& m8 F; D
2、单发、四立柱喷气决定和发动机的基本格局只能是“趴着的乌龟”，喷气的动能损失很大，不利于高速飞行* R8 i: S2 W# V3 Z1 t
3、很难增推，由于“前立柱”主要从压气机引出高压空气，而发动机的重心需要尽量与飞机的重心重合，发动机的设计很别扭，也难采用加力等常规的增推手段
9 b0 d% `: \5 F) q5 O7 }; L) ~4、后立柱的喷气也没有多靠后，废气容易被短短的进气道重新吸入。燃烧过的高温废气再次进入发动机的话，不仅进气温度过高，容易烧毁压气机，还缺氧，造成贫氧燃烧、推力不足、燃烧室过热的问题  e2 }/ K" I; H! J
5、增加载重不光是发动机推力的挑战，也是飞机平衡的挑战，不是翼下重载就行的# k# h& g2 |# @' v6 J3 S( [

# J2 h/ M* R: NF-35B采用升力风扇，动力从发动机引出，拉开前后升力轴线的距离，改善悬停中的俯仰控制能力，比“鹞”式有很大的进步。升力风扇也比自带燃烧室的升力发动机更轻。更大的好处是，升力风扇可以飞沙走石，但排气就是空气，不是高温燃气，这解决了“鹞”式的废气回吸的问题。为了避免吸入飞扬的沙石的问题，F-35B在升力风扇后还有辅助进气口，用于在垂直起飞、着陆时供发动机进气，完全避开接近地面的主进气口。
, u/ A8 m/ T/ v; J
- }4 I! q' W7 u5 _+ X0 ]左右平衡则像“鹞”式一样，用一对喷气的平衡臂控制。( M+ q' F8 e0 f2 O

5 G8 G# E+ h: _1 P( ~) v
" E9 H9 H* T6 i- qF-35B作为最先进的垂直-短距起落战斗机，很自然地成为参照( v! ~, t. V2 Z: O2 S
: W. _, _5 ^6 ]) m% \3 C- E
到这里，歼-20C可以同样采用F-35B的方案：前升力风扇，可转动尾喷管。但歼-20是双发的，问题就出在这里！9 b- L* q' L" A" H; U; X' w
1 @. [3 x# `' ^: Z( [
尾喷管可以向下偏转，但不能左右偏转，这是尾喷管必须偏转90度决定的。常规的推力转向由于机械限制，不可能偏转超过30度，一般也没有这个必要。但垂直起飞、着陆必须能偏转90度，实际上是100-110度，在最大偏转的时候，喷管略微冲前，可以低速倒飞。  K6 }% S2 D- F
, m1 |$ A# Y; ~& J6 h# t. J1 `* N5 y

7 I, v6 P5 s7 A4 e7 _( u. bF-35B的尾喷管是很特别的扭转-偏转设计。这是洛克希德从雅科夫列夫那里“偷”来的1 O9 Y% N6 N1 j6 n9 {/ w

& E9 l" H- t  I6 I
5 K6 }, e% J0 r8 v7 m  S# f为了避免砂石回吸问题，在垂直起飞-着陆状态下用机背的辅助进气口进气" ?$ `1 c2 F8 t
6 t, U) r; T' f, V; A
但双发要左右保持绝对同步，这基本上不可能。一台发动机要是故障甚至停车，就更是死路一条。喷气式平衡臂的横滚控制力矩则没有那么大，小小的喷嘴是不可能怼得过发动机的推力的。这使得悬停状态下的横滚控制难上加难。
0 ?  T. v1 ^# X
: V1 r/ x# N' ?& K' C4 S升力风扇也有问题。在电影里，歼-20C采用串列双风扇，似乎与双发相对应。但除非采用电传动，双升力风扇的机械传动基本上不可能，后风扇的转动轴好说，前风扇的传动轴还从后风扇穿过去？这基本上不可能。前后风扇不能绝对同步是个问题，但不是大问题，毕竟没有横滚稳定性的问题。俯仰稳定性受点影响，但还是能补偿的，反正都在风扇和发动机之间补偿。
6 _$ ?6 Q: W/ U: l8 u7 Q# f% V* n. {6 J# S
从机械上来说，升力风扇采用单风扇更加合理，但两台发动机的引出功率就首先要通过齿轮箱合一，才驱动升力风扇。这个齿轮箱的复杂性不说，功率也是惊人。F135的单发、单齿轮箱已经够复杂了，歼-20C要双齿轮箱合一，最后还要单一大轴，功率要求不可思议。单风扇也需要增大直径，歼-20的前机身可能根本容不下。& `/ C( W. p# W, E
; r9 i8 b5 C3 ?+ h+ o* _% Q

: P4 p  o( [& K; L# x, I想象中的歼-20C将完全占用机内武器舱3 X4 a6 F2 g" t( l
% e/ @5 S/ m' S7 \3 ?
) H2 j9 a" i/ ]6 ]1 E1 @
升力风扇向前移动也不现实，那要占用前起落架和座舱的位置% z6 C5 W! G: r5 P

6 s: ~8 Z" b% C5 W还有一个问题是：想象中的歼-20C的升力风扇将完全占用机内武器舱，使得重载状态歼-20的隐身作用荡然无存。升力风扇向前移动也不现实，那要占用前起落架和座舱的位置。. r! O1 U/ r; R+ J& |  }  ]$ r6 e
) f5 g  e$ L6 y/ l: V
F-35计划深受F-35B的垂直起落要求的困扰，很多设计上的折中是从这里来的。比如说，不需要垂直-短距起落的话，F-35其实用双中推比单大推更加合理，比如增推的F414，技术挑战小得多。升力风扇的位置也空出来，前机身可以瘦削一点，更加符合面积律的要求，降低跨音速阻力，也大大增加了机内武器舱的尺度。
  `/ m/ w+ ]* M/ H7 z, Q# W0 D! G
但F-35是从一开始就考虑到这些问题而设计的，歼-20在一开始并不考虑这些问题，后面再要削足适履就困难了。
0 l, K3 l* p9 I& S1 k, I# B
& c  G" F% I, |中国是否需要垂直-短距起落战斗机？什么时候能够实现？这些都是可以讨论的问题，但歼-20C只是电影里的想象，基本上没有实现的可能。
作者: 机器猫    时间: 2023-2-14 04:36
我倒是觉得发动机的同步不是那么的重要。这种肯定得是电脑控制的了，就跟大疆那种，由飞控电脑实时地调整每个发动机/风扇的推力。& Z6 `8 e) B+ q! _1 U
当然这比较理想化了。也许喷气式发动机没法调整得那么快？但是马斯克的火箭发动机都能调整那么快让火箭垂直降落啊
; U- E' _  P  f/ z( ~/ {& \2 k/ B$ O) l3 W5 f; @2 D
我从去年秋天就有一个航模的想法，后来雨季到了就没开工，也许过两个月来实现：就是一个普通飞翼一样的飞机，但是有四个电机/螺旋桨。平飞的时候可以靠四个电机差动转向/仰府，这样就可以一个活动翼面都不需要。而垂直起降的时候就当四轴无人机那样，只是机头朝上。中间可以用一个switch告诉飞控转换模式
作者: 晨枫    时间: 2023-2-14 05:28
机器猫 发表于 2023-2-13 14:36
  W! b& [2 @3 c! t7 e/ T2 f9 s我倒是觉得发动机的同步不是那么的重要。这种肯定得是电脑控制的了，就跟大疆那种，由飞控电脑实时地调整每 ...

- K0 }, E! i5 u  ?喷气发动机的调整没有那么快，大推力的惯性更大。
9 g. X( V2 e" X+ i& F2 _# h
# p* D1 W' q2 p马斯克那个做法被业界很多人骂，原因就在于这里。他现在是成功了，但是否能长期保持成功的记录，还拭目以待。
6 e" u9 x3 {; Z( l( L
0 Y/ @" s/ s, K" U. F6 H你做出来把，可以两个拉动，两个推动，这样布局均匀一点。不过类似方案已经有不少人在做了。电动机有独特的优点，可以电磁同步。
作者: 机器猫    时间: 2023-2-14 05:46
晨枫 发表于 2023-2-14 05:28, ?! z5 i: o0 H4 B$ P, G
喷气发动机的调整没有那么快，大推力的惯性更大。4 F9 e+ {' U  F) x! D  K( A
! i% `$ s& h! i8 A4 r5 n
马斯克那个做法被业界很多人骂，原因就在于这里。他现 ...
: h# `8 r6 R6 F+ }1 m% Y
还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。  y9 O: M9 }$ e6 B' G& v

0 `5 p2 V" S9 m! Q9 F8 ~两个拉两个推垂直起降的时候不好处理啊。我想的是机头朝上的时候就是跟大疆那样的四轴，各种开源的飞控软件很多可以拿来用了
作者: 五月    时间: 2023-2-14 05:53

4 d# d7 B$ [. L# b0 e0 p2 O3 F弄一个反重力发生器就能搞定的事情，还费那么大劲儿，不知道你们在聊啥。。。! A7 ^6 K8 v1 A5 @; o

% @( n& W- N1 X; s0 {2 X
作者: 晨枫    时间: 2023-2-14 06:13
机器猫 发表于 2023-2-13 15:46& S# s) ]& D8 u( B8 t) n
还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。
; s) v1 j) m9 ~. t+ r. I( |/ U5 o; ^% ?
两个拉两个推垂直起降的时候不好处理啊。我想的是机头朝 ...

0 B! ]! j: V9 C: T% V( T/ T4 j
; N6 _$ v5 F$ y3 V6 H# a像这样？
作者: 机器猫    时间: 2023-2-14 06:19
晨枫 发表于 2023-2-14 06:131 w( f" E$ y6 F6 `
像这样？
9 P. L1 G+ L1 b" r( U0 ?, R
对，就像这样的
# H: X" |5 ?0 ?6 ?3 x& g* F不过这个看上去还是有servo控制副翼？我是打算全去掉
作者: 晨枫    时间: 2023-2-14 06:51
机器猫 发表于 2023-2-13 16:19
$ P$ T4 F- _. z6 d4 [( u+ L' o* E8 f对，就像这样的& x6 G" }5 x3 U: `4 Q2 [$ k
不过这个看上去还是有servo控制副翼？我是打算全去掉 ...

! r3 E9 f; Q7 W; M+ F9 u那在平飞的时候怎么控制横滚呢？
作者: 机器猫    时间: 2023-2-14 06:58
晨枫 发表于 2023-2-14 06:51
8 \8 q+ A9 Y9 U0 }! m9 @8 O# H那在平飞的时候怎么控制横滚呢？

" i6 Q: \$ H8 I! W4 ~' m跟大疆水平旋转一样啊。/ ^, ?0 _5 {- w
* C! y9 x5 F! z* A9 \
四个电机是两两反向的。控制其中一个方向的转得比另一个方向快，然后靠多出来的这点转动的反作用力旋转
作者: 晨枫    时间: 2023-2-14 07:08
机器猫 发表于 2023-2-13 16:58
5 M  }1 g5 o* b2 l: \, P8 H跟大疆水平旋转一样啊。
0 A7 @& I8 \$ P6 i5 d4 d& h' `# R: u4 \. M6 E# ?0 ~4 ]
四个电机是两两反向的。控制其中一个方向的转得比另一个方向快，然后靠多出来的 ...
. T. y1 k' c- r. L" Z2 d( @! S- Z
在垂直飞行时可以用四旋翼，在水平飞行时呢？四个旋翼都在水平方向出力，没有垂直分量啊。除非你用两两差动反转形成的反扭力？这个反映速度会比较慢？
作者: 机器猫    时间: 2023-2-14 08:09
晨枫 发表于 2023-2-14 07:085 u3 b% L; X5 C0 f! _
在垂直飞行时可以用四旋翼，在水平飞行时呢？四个旋翼都在水平方向出力，没有垂直分量啊。除非你用两两差 ...
  K5 X8 R( n8 E9 Y- i7 ~, _
垂直飞行的时候旋翼水平，所以反扭力就让大疆水平转向。水平飞行的时候这个反扭力就正好是横滚啊
作者: 晨枫    时间: 2023-2-14 08:33
机器猫 发表于 2023-2-13 18:094 g! v- s( _6 x- ~. Y' \5 G
垂直飞行的时候旋翼水平，所以反扭力就让大疆水平转向。水平飞行的时候这个反扭力就正好是横滚啊 ...
0 t+ |- ?6 V; V& M* {( x
嗯，正是我想的那样，这个横滚控制要抵消重量的因素，可能会反应比较慢？
作者: 机器猫    时间: 2023-2-14 08:42
晨枫 发表于 2023-2-14 08:33+ p) s' a3 X# F
嗯，正是我想的那样，这个横滚控制要抵消重量的因素，可能会反应比较慢？ ...
7 u/ V! g# @+ y- c  h! o
嗯，试试吧。感觉重量应该不是问题，两边是对称的
作者: r52097    时间: 2023-2-14 09:36
有个拍脑门的想法。现在从垂直起飞到平飞的转换都要求过渡平稳，但能不能让飞机起飞后利用高度自由滑翔一段时间，用高度换取一点速度，顺便把螺旋桨调整到平飞状态，然后从滑翔改出到平飞？
作者: 晨枫    时间: 2023-2-14 09:39
机器猫 发表于 2023-2-13 18:42; |  i/ W( Z& n1 d! Y
嗯，试试吧。感觉重量应该不是问题，两边是对称的
% ^" @/ J* g6 M7 e! F
重量是错误的说法，应该说转动惯量。扁担形的转动惯量更大。苏-27的横滚机动性不及歼-10就是这个原因。
作者: 晨枫    时间: 2023-2-14 09:40
r52097 发表于 2023-2-13 19:36
, e) S7 `8 w: z; U9 T! v1 @8 C) b% Y有个拍脑门的想法。现在从垂直起飞到平飞的转换都要求过渡平稳，但能不能让飞机起飞后利用高度自由滑翔一段 ...

& n( N9 @5 H" j$ J有控制地转入滑翔不容易啊，而且滑翔是个不稳定的过渡段，不妥。
作者: 机器猫    时间: 2023-2-15 01:18
晨枫 发表于 2023-2-14 09:39) y# j2 R' p7 \( }2 p  O% u
重量是错误的说法，应该说转动惯量。扁担形的转动惯量更大。苏-27的横滚机动性不及歼-10就是这个原因。 ...
& V) [4 a& V4 o: v
这个倒是可能是个问题



欢迎光临 爱吱声 (http://www.aswetalk.net/bbs/) Powered by Discuz! X3.2