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[武器展望] 歼-20C的传说

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 楼主| 发表于 2023-2-14 04:14:21 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
本帖最后由 晨枫 于 2023-2-13 14:18 编辑
3 b: L# ?0 [/ m+ \( l8 j/ D2 h6 ^0 m% K. J5 R4 k9 k7 y' x& S
《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。
3 q+ o. x6 N6 ^( i1 v, ]4 P( C
: C4 G1 u5 K$ f8 ?/ |& d0 l& S  v ( p% [- Z, i" I( {# K7 ]/ ]
《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?
( ^% m1 n1 r* m' j
6 W7 b& L8 J3 ]9 A( Q$ I
$ L* T! A; T$ y) @& Q) W/ ?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 J- p& R; H6 S# d- B
" |4 e$ C% k3 I. \/ I9 v4 _ , s& b7 h0 h. _- |! ~9 }# F3 q: y
还有人认真地画出三维图2 z4 |' n' O3 ^6 i

. O0 S1 [9 K* `3 I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。
- l" p+ M% _, w  y4 u" ?% x) J# a# X. L3 o0 C+ K/ X
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。3 i6 Z: p9 _7 Q- x

9 b: [/ ?. I& @: K/ }7 l* P. x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。
( W5 O8 p/ T8 H0 f$ u* I* i5 y% F. p1 X
- B2 h5 G4 `; r' d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。& s; U% ]6 R, U! x2 Z6 r7 V

8 G6 x; L0 P6 w$ B, m/ b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。! a1 X; l* |+ a" p- ]5 Z
# O5 {1 d1 e( p2 M3 F3 k
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:: A9 J1 M, v' A9 j

( G" p0 q( G: B/ `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
" Y5 K0 N, f, m6 c2、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* q8 P5 c* P! g2 a
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
" g& V% k. N, y2 l8 S! T6 w9 t8 ^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
9 A  a5 G1 A7 P* X) ^' h5、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
4 [" x! J, l+ M# C$ q; F$ @1 @6 a0 ?) P' j1 N# g+ u
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。3 M0 W7 _7 o( {9 K4 t
: m+ I- n. m( T. R
左右平衡则像“鹞”式一样,用一对喷气的平衡臂控制。1 u% S. W" q0 O* {
( d$ `, Q; g% O9 [0 ^1 s
" n8 x, O) f" h3 Z' O# i
F-35B作为最先进的垂直-短距起落战斗机,很自然地成为参照2 b) R& G" {; b
% O/ C; ?% ~/ F  D% d
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!
1 V) i8 t6 r- J+ [" O' |; H- l# _  I* w$ E5 M7 d
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。  ^# O3 H% J1 k
1 S7 x% R! I: R: Z; O

6 n3 L7 b7 S- U- fF-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
) L9 W* }9 Z3 j% f
5 {, `( i$ a1 Q; `; r0 C  l
" I, H3 L8 A' {, f8 m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. V# M/ q: F0 w% W: w3 ^

4 A, V, }3 M( Y+ X3 b% V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。% Z. Z9 g6 q4 _9 |: ~
8 j- k- m2 a7 i9 w( _3 L4 k9 ]
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。
: m, a+ @3 {! [0 b7 h
) [; y  e  c( F0 o. n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。) ]: t0 T* `) W9 m) g

  n' W. v+ v, a- N: u
) \1 M$ r2 Y! N想象中的歼-20C将完全占用机内武器舱& }% u% Q9 X6 {$ K+ N

* A( q. h7 e$ P  r1 O
; y+ k6 V. N/ c) }0 H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% w6 c$ [7 J1 P! ~
3 l- G  |+ O: O5 Y: Q) U* G( l, Y
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。
7 |6 m; P1 ~+ {7 ^: p0 A& |
7 d- q( j+ U7 MF-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。
' U/ F& l; J2 F7 O: |  M9 ~. d, y5 C4 a. @5 J5 D5 c
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。: i, @/ G# v- D, L3 D4 q5 Y' I
  p. L# f# I' R4 M  [
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。

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    发表于 2023-2-14 04:36:51 | 只看该作者
    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。
    ' M1 Z( s+ h/ X. ?7 K0 [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9 A1 F5 k4 m9 `/ m" C8 E9 _& a9 I

    $ Y5 Q! T1 }$ T$ F' ^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

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     楼主| 发表于 2023-2-14 05:28:31 | 只看该作者
    机器猫 发表于 2023-2-13 14:36. [5 V: t) m+ W# C, S4 O+ m0 h
    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 ...
    3 T% Z) v* [9 q2 U/ K* i/ E5 B
    喷气发动机的调整没有那么快,大推力的惯性更大。
    " K/ B4 ?0 }! Y4 F  C
    * i% h1 O& q- D5 ]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。" F' i" S( N3 z) }. M  _0 o0 d
    & N. w4 t( P$ J, d3 B6 ?5 m$ E
    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。
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    发表于 2023-2-14 05:46:25 | 只看该作者
    晨枫 发表于 2023-2-14 05:28
    ! q$ F7 R0 g, k. S) k3 h( ^% \5 k喷气发动机的调整没有那么快,大推力的惯性更大。5 u* {- w: d) e) P, F
    ( R2 q3 A& f! ~; P  r" p% z4 U- O
    马斯克那个做法被业界很多人骂,原因就在于这里。他现 ...
    9 @3 n" o0 N1 R, l+ N  r# P+ {
    还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。8 j0 z( S3 h, J4 w. Q/ w+ I- R

    4 b; B8 I9 S9 r. Z7 d2 `# D3 R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
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    5#
    发表于 2023-2-14 05:53:27 | 只看该作者
    5 k9 _3 J; `+ B
    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。。。
    & B6 l4 d8 ]4 y9 l
    # u- x0 P/ H8 ]: {( P
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    6#
     楼主| 发表于 2023-2-14 06:13:35 | 只看该作者
    机器猫 发表于 2023-2-13 15:468 e5 V1 e* _: I6 h
    还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。
    , A5 o/ J" a$ I& ]7 c/ }
    # i8 K$ B" L' B$ `& |1 x( ?2 X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 ...
    * N: f, ?5 w  b$ M; ^+ K1 V
    . Z9 }, ~1 d0 F" C4 ^! t
    像这样?
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  • TA的每日心情
    奋斗
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    7#
    发表于 2023-2-14 06:19:51 | 只看该作者
    晨枫 发表于 2023-2-14 06:13/ \, f' Z+ f1 a" T$ n5 V. g8 U
    像这样?

    % B% l- Y/ B- G" M1 c9 ?+ M' h: _对,就像这样的. R* m  J- X. L' f
    不过这个看上去还是有servo控制副翼?我是打算全去掉
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    8#
     楼主| 发表于 2023-2-14 06:51:40 | 只看该作者
    机器猫 发表于 2023-2-13 16:193 o& ?9 Y& m# c7 f
    对,就像这样的+ I8 m# q- V* a" L4 c9 I+ h- e
    不过这个看上去还是有servo控制副翼?我是打算全去掉 ...

    / z) Q. e5 E9 {5 k- ^那在平飞的时候怎么控制横滚呢?
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    奋斗
    2020-2-8 10:08
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    9#
    发表于 2023-2-14 06:58:06 | 只看该作者
    晨枫 发表于 2023-2-14 06:51
    2 p1 W. ?' R- }3 q. \3 b' Y那在平飞的时候怎么控制横滚呢?

    1 L. t. c6 r2 W( u跟大疆水平旋转一样啊。8 s2 G% [3 U' r" M/ g; n

    . y- C8 {+ k; E9 ]8 E: ~; B1 {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
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    10#
     楼主| 发表于 2023-2-14 07:08:53 | 只看该作者
    机器猫 发表于 2023-2-13 16:589 n. ^5 V( @/ N7 y# e* z9 I
    跟大疆水平旋转一样啊。- o: @6 N1 E, k! P2 K

    , W1 N/ {/ i. n+ c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 ...
    5 `% C, D+ D$ X0 _, z2 t- 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。除非你用两两差动反转形成的反扭力?这个反映速度会比较慢?
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    奋斗
    2020-2-8 10:08
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    11#
    发表于 2023-2-14 08:09:46 | 只看该作者
    晨枫 发表于 2023-2-14 07:08- B- @1 \0 N+ e1 I: K; M* T/ I
    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 ...

    * R  B( S) g% H0 g! P$ X- {2 t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
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    12#
     楼主| 发表于 2023-2-14 08:33:34 | 只看该作者
    机器猫 发表于 2023-2-13 18:09# e* B4 {. I' `) }3 L9 ^" h
    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 ...

    ; x0 F2 u5 O! t2 |( 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?
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  • TA的每日心情
    奋斗
    2020-2-8 10:08
  • 签到天数: 2 天

    [LV.1]炼气

    13#
    发表于 2023-2-14 08:42:17 | 只看该作者
    晨枫 发表于 2023-2-14 08:33
    5 @: O3 j/ Q3 b  T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? ...

    . ?% p/ h+ D+ R  z, W* F嗯,试试吧。感觉重量应该不是问题,两边是对称的
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  • TA的每日心情
    开心
    2018-10-1 00:00
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    [LV.3]辟谷

    14#
    发表于 2023-2-14 09:36:15 | 只看该作者
    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?
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    15#
     楼主| 发表于 2023-2-14 09:39:20 | 只看该作者
    机器猫 发表于 2023-2-13 18:42
    9 R- {8 F. P' q1 o5 c" I嗯,试试吧。感觉重量应该不是问题,两边是对称的
    ; M& h4 L1 k& I& h* `) M
    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。
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    16#
     楼主| 发表于 2023-2-14 09:40:10 | 只看该作者
    r52097 发表于 2023-2-13 19:36  C$ x1 U2 c- ~, Q0 p7 A9 A, O& A) F
    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 ...

    3 m4 _+ i* l" I! 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。
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  • TA的每日心情
    奋斗
    2020-2-8 10:08
  • 签到天数: 2 天

    [LV.1]炼气

    17#
    发表于 2023-2-15 01:18:55 | 只看该作者
    晨枫 发表于 2023-2-14 09:39
    2 Z3 h; k/ I0 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。 ...
    * _0 ?4 n' |' x6 _5 B
    这个倒是可能是个问题
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