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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 . j2 V9 G2 a" J
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《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。
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! z; d' L( \2 j《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？$ m& x2 O9 Z$ K! D- g* }- S
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在电影里，歼-20C是可垂直起落的歼-20改型，在思路上接近F-35B2 C& ^3 k- g* S- X
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" X, s: `. q0 \' @还有人认真地画出三维图
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& @& x' V9 x8 O5 P, n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。. H0 j/ y* @; ]
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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。
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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。; I$ C' t# W6 p6 C6 f! T
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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。6 x9 ]- t9 S0 ?( K

& Y7 a, c) }' E9 Y7 R3 r8 _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。0 U# v/ `( `" d2 L
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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：1 p4 Q8 J3 ^; A: [0 O4 S- X

2 o) d4 \" y2 B1、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! W+ W4 ^. v5 ?% i
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
# e6 g; u, c6 ]5 n3、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
+ E1 z5 L1 o6 [) d- G4、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
6 _4 ~. ~8 C3 p2 U9 ^1 _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
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0 s, f: ]7 u4 D  P* O; W. S  _F-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。
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左右平衡则像“鹞”式一样，用一对喷气的平衡臂控制。
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4 e  M& ?9 q; \" [! u+ 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$ l3 D1 c/ K3 k+ E% ]
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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！4 B* Z" B* r; B# ]
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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。9 s4 Z  I+ a! q, N
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F-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4 R8 k/ u7 W* p
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' @4 }# x6 ^  \1 Z' F8 w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
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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。
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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。7 e( b5 o- l; j: m: L
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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。+ r5 U, A5 U  I# o+ `

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想象中的歼-20C将完全占用机内武器舱
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! s" E& [1 g8 v3 C# Q1 g6 Q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
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& C, f: B# M; |! V+ [& R1 N/ u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。5 ]3 z# F- F& j3 J; G  J, J$ N: o

0 X. y' S2 a* P' v8 u: ^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。
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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。* u/ y3 n" g' ?, e. H: c

/ W1 v1 q( w; c  o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。
* g% b  B; c' X2 ^1 J0 ^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
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( O/ ]& S3 F2 v& H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
; r; Q  X/ v4 [8 D  F& d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 ...

$ Z9 N+ ]( T- J1 r1 o9 r喷气发动机的调整没有那么快，大推力的惯性更大。
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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。9 b5 y* \8 N! U. B( U/ H

; l& E1 A* A, L4 m- \# D% |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
& @; R. X( Y$ R7 q4 c" j" R+ {喷气发动机的调整没有那么快，大推力的惯性更大。# O9 W  k; Q6 \# s* j, R# D2 N

" Y% r9 V  w8 d8 _; A; g马斯克那个做法被业界很多人骂，原因就在于这里。他现 ...

9 @- x. w: \, T) y) D1 `$ b9 J) ^还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。  K" ~& g3 r$ @3 m: z

2 r9 y& F# u2 k3 `% J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
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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。。。
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作者: 晨枫    时间: 2023-2-14 06:13
机器猫 发表于 2023-2-13 15:46
% u( l4 r4 y: R% G还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。$ K5 v  T7 D# [7 K! s! F& T

  U$ B$ c% q' b. I4 m9 R1 ~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 ...

- X  G, b7 Z0 ]/ k4 ~* o1 c! D8 ]
* z7 K' i  z2 b: K像这样？
作者: 机器猫    时间: 2023-2-14 06:19
晨枫 发表于 2023-2-14 06:13
! X' {1 S: ~0 n像这样？

5 [' D2 S, j' O3 L6 _- D对，就像这样的% `( h5 w) S( E9 E3 W9 I3 k, x
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
0 Q4 {; Q" s6 w" _+ A对，就像这样的. |/ f( N9 V8 {
不过这个看上去还是有servo控制副翼？我是打算全去掉 ...

: `+ d+ G* A0 f8 o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
  d5 V8 s& d, J/ N8 S那在平飞的时候怎么控制横滚呢？
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跟大疆水平旋转一样啊。
) l, c' H: s9 }. _
! Q4 L4 r  i8 Q9 S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: m4 Z0 J$ a  C' ^" \' d
跟大疆水平旋转一样啊。
% z9 _9 x# X* n5 P: U5 T$ I. H( E# C1 |6 W0 z% T
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 ...

1 X0 D; V0 |5 ?! @$ R) o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 07:08( |2 i( h1 m6 w2 d8 Y) D+ @
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 ...
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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 18:09
% X: G3 f6 I3 s3 o7 E( Z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 ...

; `6 g( e- @& N5 h* [& A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 08:339 w1 z% G; f; e6 o9 k) j
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？ ...

3 b7 C$ A! l0 L2 |! r9 g# D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% Y! o( m: w' O+ c$ B' Y' N2 s
嗯，试试吧。感觉重量应该不是问题，两边是对称的

& w2 J& o  v/ x; t! o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 19:362 K- f. p; L& \( Z) r
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 ...
: J0 V0 U; N9 w3 D" N
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" ^) q: o( a: y* I- e* F) X6 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。 ...

" h2 C2 Q) M0 r' A  K9 s这个倒是可能是个问题



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