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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 % _' @: P* A7 |0 H; P1 t% n; U

  m8 E1 ]* U- z! C3 [《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。
  C% i; O; U4 H, Z/ Q0 l8 X; G/ o+ ?4 M, L" L/ m' t% X

, m% B7 p9 M% J/ S/ |《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?0 B4 n4 n1 d3 m; X# ?6 b  Q
2 t; p4 H$ {1 G6 H; x% h0 `8 g

# v( O- A: ?  U! C- x$ B: M! _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& Z0 u) T0 q: b) ^
) F' n& W+ {7 M- t# W9 F+ `
- H9 T) M5 t+ X7 Y
还有人认真地画出三维图
" O; y$ x$ ?) u6 O$ C1 `1 t; n4 N* _$ o5 p
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。; |0 a* R) P! ~# {6 F- U# ]$ l
7 n( k8 E4 ]) h. I8 v
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。
4 P* b5 D# W$ B6 L! i# q2 G. J% j1 D" {9 v% U, w1 o4 i
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。
# E. p* v0 H2 s7 ?5 U, B
% w& Y! c  g0 ]- V3 Q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。
7 R' [& @) N; \% h/ P6 E9 Q0 r/ ]
0 z( u, M% p+ f- N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。
2 L( S- ?- C* p) _% c, q  e' \0 @5 g+ G6 j* K2 ]9 x! t
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:
3 T- A2 v5 A- I8 a# z5 `# v0 q9 F3 j0 z% L" q; l# e  N: v
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
& Z/ L% [2 Q5 {1 y. K6 `0 Q7 D+ X2、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
7 j) A: x! r! O3、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
* p1 l7 H) t' }1 @4 d5 H) [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3 c; c6 S* C- S" 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/ B0 F- v0 [. Y
$ I# _8 |1 h) F
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。
6 F5 L3 S2 a# v5 C# g
9 U6 ~( t7 v/ P/ |" H. E左右平衡则像“鹞”式一样,用一对喷气的平衡臂控制。/ ?+ R6 N: z: ~% l

$ v& p& k2 C  J! j0 k6 U 0 L, T$ J2 z! V2 N- ?2 O4 n) K5 x
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" c9 X! ?, z9 j2 ~

" Q8 L# F; P$ ^1 V+ {" 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!
6 O+ Z* R# f: X
1 s% B; }( N6 \( K# R' ]- ?: C" r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。. D% @" X( h) l$ _5 P3 Z% M
4 W3 Z. [2 ]$ j) z6 y) g
. O; V1 Q1 u" U! \& e) m! X2 i
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
  b: f! d' n, t$ c9 ^
' ?- O) \5 Q6 h 2 W! }% R% P/ 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, ]' U# ^3 b; H1 d

  U3 o& y4 _# A. l  z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。" s; I' F4 A1 s  @' C
1 j4 l' K7 ]- h8 T8 O2 W
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。
, g  Z/ O7 {5 R! W! ]( }# ^2 v9 X
: p$ i9 W) P  K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。' {, e+ A/ C. C  _4 z! I
! I$ Q; S5 S( i5 a( c
7 V% _' o( q6 O. K
想象中的歼-20C将完全占用机内武器舱! H# j8 a4 C* N( e) ^& \" Z

# Y3 w6 k7 J. `9 A7 e- F : N( K2 `% [- g0 w3 d4 k
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
% G: Q5 `- A  T4 f2 ^* X5 k* E4 \0 Y5 C, i; S8 Q4 g) u- i
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。
3 ]4 [" p6 f. V+ w
5 l0 s4 `+ v9 y5 ZF-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。
6 s4 d/ g# [* T0 y. e8 n0 r, x) t$ Z( a4 Z0 a5 M* 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。
2 S- n3 z* i% z* _/ S
* v1 A0 q2 k! W- J0 a9 L7 J% |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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testjhy + 10
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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。
    6 O/ R5 w% i- k% K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8 j: n2 c5 M6 u/ u; s
    * X( x. @8 y" [7 z! J  Y% R3 Z
    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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    板凳
     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
    ! ^) a2 D  _) m& `) 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 ...
    + B1 g: L  N1 _' `5 e1 @) \
    喷气发动机的调整没有那么快,大推力的惯性更大。
      x1 U( n. y& q- j0 O" S8 J0 {* y8 T5 ]2 n" O7 \
    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。0 l% W" B% P! M0 H
    8 f. N7 Q7 M3 m  N' S5 U" ^! j! x
    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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    地板
    发表于 2023-2-14 05:46:25 | 只看该作者
    晨枫 发表于 2023-2-14 05:28* A' @2 ~6 G& D
    喷气发动机的调整没有那么快,大推力的惯性更大。' {  A. p- d/ V+ V% I

    , F% |6 l0 g$ z$ ]2 O' @马斯克那个做法被业界很多人骂,原因就在于这里。他现 ...
    - l3 n' c* I$ v4 R4 b1 p
    还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。. }: ^3 i9 j6 I5 z) `: j& g

    . C; b( F" z( D: R7 |/ ~5 e! C& ~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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  • TA的每日心情
    开心
    2020-1-2 23:51
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    5#
    发表于 2023-2-14 05:53:27 | 只看该作者
    6 {- g+ l* E; u7 b$ Y+ b/ H. I
    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。。。
    & w% G2 Y$ w2 Y5 Z+ j) A  z0 T1 Z0 q+ L+ f& L- y' o8 J
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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 15:466 e" s+ S$ n/ d) k4 P* c& B$ m
    还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。; b/ N& M! a3 c9 J6 F; ]
    9 ~* o& t% N. A' S& E& g' 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 ...
    3 E/ e/ w% }! j

    9 B* W* e2 E; V8 y4 Y6 Z像这样?
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    奋斗
    2020-2-8 10:08
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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
    ( _2 l% a9 D9 K9 O' l8 [像这样?
    ! m$ }6 _5 q9 C) \
    对,就像这样的
    . `- @: K" V" O( q" ^0 w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 16:19
      K) ~9 o, r/ |: o+ b对,就像这样的
    0 T) \( Q1 b- m) I* \7 J不过这个看上去还是有servo控制副翼?我是打算全去掉 ...

    0 ]/ v4 T7 ?' l* I+ \  i* N! ]' l9 C那在平飞的时候怎么控制横滚呢?
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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

    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/ }" J/ h7 Y0 u5 n
    那在平飞的时候怎么控制横滚呢?

    ' R% h  m& ?, v9 f0 C跟大疆水平旋转一样啊。
    4 y6 V- f4 j9 z8 T* K" X* I/ ~7 u5 H4 F. X2 N
    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 16:58
    * K# I. A' z! y$ v4 [1 |9 U跟大疆水平旋转一样啊。
    6 Y6 Z9 @- v7 ]$ |  n
    - k$ g+ p9 K! I) b9 J) u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 ...

    " F$ ]6 ^6 v0 U4 v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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  • TA的每日心情
    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 07:085 [8 j' w' h9 ?5 h
    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 ...

    : O8 c2 s# c: N6 P' d. ^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
    ! ~9 j1 S3 W) C- K, 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 ...

    ' q5 t+ h3 o$ {, o: y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% [$ m. x1 E+ W  t+ E
    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? ...
    0 s3 W9 m- F: a/ u% }
    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
    7 T; w& v4 @  V- U) _嗯,试试吧。感觉重量应该不是问题,两边是对称的

    5 y& i$ _: }# D& L% j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; t$ \7 u# z) G5 P( k/ z
    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 ...

    $ R7 H; M  B6 a! P5 B" g: k# ]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# G8 D7 Z2 f8 N6 c. B
    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。 ...
    ' O. P7 G& v2 n: x& B& C
    这个倒是可能是个问题
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