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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
% z0 Z% U3 }" l% m9 m. P% T) n3 i' s
9 k/ D' w. H2 E9 Z' e《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。
; n% B" A: v" s4 M/ d7 H5 e1 H9 D& c5 r' E' T  p: d/ f6 c
/ q  P% R  B2 }
《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?% P8 ?+ m0 @. g
; m! @9 U5 O/ \. g# B6 e
2 X& A" E' m1 f  `: H. `0 U5 U
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
+ y+ ?8 V% N5 ^0 z7 u
5 n. S" k  e; m+ E' s ! ~3 N0 a) H4 ]; S9 G
还有人认真地画出三维图
& D1 @5 L# U3 h4 i
. F# H( D9 l% `" R8 O$ W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。9 N5 b& V9 O4 i, w$ ]
" _  m, y0 o0 p+ O) T
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。" j& `" z% j. J9 ~  w
( v& f. n2 E9 v. O
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。7 \/ V9 D7 |0 X
1 p) S; t& N6 {
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。
0 a" b% v. A- B( X% A2 n9 h+ n7 x3 W0 @) v3 s, A* c7 b' G
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。9 ]" H- k/ E9 p! H+ \
5 [8 p4 k" z2 F' f# e0 ?
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:5 Z- t' z( W0 t1 L9 `2 W4 g. R6 m

9 x) ^  q$ S! Z; `. ?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
; N& P: a3 U- s! \5 k/ U9 N# Q2、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* Q$ s$ F( I0 X( _; G
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4 p8 |$ r- Y+ y9 g; B
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
8 X" c3 s  L6 s" S) D# j# m" y5、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
0 }0 O, a. ]- f2 N
! _/ P/ Q2 C: RF-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。* U6 `- S2 j( ?
1 H6 K+ a. @; f; a" T
左右平衡则像“鹞”式一样,用一对喷气的平衡臂控制。( k8 A9 a1 w/ U0 E& k! F) _$ t/ `

) o) _4 g5 M  w; X  } , \. B& K! t1 _6 `. b
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1 Y! k! S) j. w: X/ g
$ B  L8 G( D4 H/ j
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!/ t- U6 M: s6 \: A+ ^5 S/ B
$ v* Q* @0 p! s, 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。
6 o$ e3 y& b# C% {5 G% `, `: {* x1 X$ V) E
1 Z( b' D( e3 M
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
1 A: j; {7 F1 A2 ?7 q9 B
0 _/ N+ C% b% G7 d4 M* L
8 A! }% ?: [. [2 {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
% ]" ]% y( i" |; Z9 T" E; `
+ _4 D9 q( D1 O$ }  Y- n; r1 g9 j  K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。
* H, M8 o2 |  u& P- z# Z1 Y: j4 Z( w+ o$ t
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。  T. X1 f, c9 [: p3 I: ?5 h
- O3 u+ p0 N0 f) |$ U8 Z. [
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。
$ q4 C/ T# n# p! `% |
$ X- V$ m7 r& Z8 V/ b $ f, W' e& F2 T( }' @! T
想象中的歼-20C将完全占用机内武器舱
, D& M+ e1 W. D$ B# l. g
) Q/ r6 F/ c; y3 L7 ^& z
5 k' k+ P- {- ^: n. h# h0 x8 I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
# Y( J; P! N6 k0 G3 H; f9 m
% F. N/ [& P( N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。
6 Q6 L" k: H1 g# k: n* L; j5 y  B8 {! m/ T2 ?2 y  x
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。
! P& y# i' o; l+ j1 O) k' B8 n/ F
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。6 Z! C( l: {  I0 @7 U; w

# M4 l1 G1 n1 B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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     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
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    晨枫 发表于 2023-2-14 05:28
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  • TA的每日心情
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    发表于 2023-2-14 05:53:27 | 只看该作者
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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。。。1 K/ Q" J( b+ R7 @
    . V& w2 n' `# f- I
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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 15:46* t* f4 j5 V5 j4 m5 y
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    8 y: R1 Q, A2 S: f像这样?
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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$ j$ N8 e) L/ s0 q
    像这样?
    ; H$ j* f  a8 x8 p+ A9 ~0 C
    对,就像这样的
    0 B$ x! ]' V' q$ q  Y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
    . e/ m' O& V. R9 T& J对,就像这样的
    1 e$ b3 V; }% |2 E5 _# T8 Z不过这个看上去还是有servo控制副翼?我是打算全去掉 ...

    - G9 U' C9 n" }7 x" e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
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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 06:510 C! g$ U% [& D$ U. r
    那在平飞的时候怎么控制横滚呢?
    + i  N. T! R( n
    跟大疆水平旋转一样啊。5 r* X6 Q/ u0 k* E0 L& t

    4 |" P6 k) m4 v/ L. m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
    # u& _+ h  ?, i/ u0 O; S! n" Z跟大疆水平旋转一样啊。- U' ]5 E; h3 a! q( k

    2 e4 q* F5 A+ v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 ...

    3 A  x* b8 z8 l6 J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
    5 B$ @$ @- g. V, o! L2 t/ x# ^- M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 ...
    $ j8 K" D5 m) r$ 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, f9 E) b5 L* u( T% V5 a
    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 ...

    + f# R# L' ~, u, R) ]3 m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
    & p8 q; e5 F% T: v" K1 G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? ...
    * M" G" h$ J6 R$ 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% P& Y1 Q' H/ |4 X+ D
    嗯,试试吧。感觉重量应该不是问题,两边是对称的
    / Y/ Z# a" C5 j' U2 t' A9 ?" q
    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
    0 A6 I- j0 n1 t/ ]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; J' [6 ]) Z6 |& y$ `
    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
    , e9 q! j! d3 G2 x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 k7 v( L2 Z7 l6 }. z4 }4 R# s
    这个倒是可能是个问题
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