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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 / M+ V. t& Y5 K( D. Y* g

* C! b. v# |/ o" _, t% \& ~2 \. u* f《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。
, `; N9 @) N8 o% @9 T
' H* h% W3 l/ @9 A& V
' d: e$ E1 o2 ^' ~& Z: }" @《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?
' A! f/ F% t( _& V* I/ t
. F. g# e1 b5 M* L% ?: w- R   o% F" P& D& f7 A  c) G4 W; R
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
. V3 ]2 j+ ~* a1 F# V% X& X( a! a5 d) S2 ?# D, \7 e& s5 |& J
$ x0 {6 l8 X8 s
还有人认真地画出三维图
4 x9 J1 o1 q# `: |, Z( H& p9 o) A/ ^
5 Q5 _* n! ]6 I6 ~4 }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。
1 M% H$ ?- ?3 W0 C: a
! K- }  }* ?# w: o$ R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。
/ U" p5 k$ Z& ^' ^$ V* Y/ u4 T# H) }0 G5 c, f/ d, y
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。( b% A& Y: p! c
6 h+ I8 Z# ]1 n$ H
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。
; K' |) j3 F- t% [3 {2 G
) g  }  f) T! F* {! l) {  g% M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 _7 i7 h8 M& [; F
4 A* L  `7 X' ~* r5 D
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:  D1 D  Q1 a, E6 l
, q/ x9 S9 E" Q' F6 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
/ p7 e) P" E1 n9 u$ Q$ d2、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
! u: X5 r1 n3 K. U- i3 ]0 W3、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( z4 {. K* }2 U
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( j" \2 U( P, X8 \$ c. ], d; I
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+ u2 @' R" L% z% ?* q, w5 y0 V

2 g8 n  J6 W' _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。
  d6 s" ^0 n3 |" b; m+ z  b( B' e/ Y) b8 _5 N# G
左右平衡则像“鹞”式一样,用一对喷气的平衡臂控制。
& V" X$ N( N' `: u& T* @4 @$ T, ^, c1 n* M5 e2 M% N/ H
5 k) @8 c6 a. _0 [" k8 G
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9 [, @, {4 {% M2 Z* h( q  o

! m- c6 \3 z. d0 F/ p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!
: Y: ~* c+ _. v) w: w0 y4 V3 B5 ^4 d$ _6 i1 U# t9 l3 j9 g& B3 ?
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。
+ E4 H" |: k; ?3 @* Z  t. k8 }% N9 G

/ O, ?- {+ U  _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
3 k3 U1 {1 e8 h7 G& Y2 X; V% _/ }/ `/ [( p( e

/ S4 |5 }% ?1 |7 W& B0 {6 g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
- R  T, G4 I  i1 S4 t' {* r
5 e- ]6 Y4 V' g/ V9 {5 z2 d0 j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。; E, }7 a/ x% |) @# m9 ]
# B5 r3 d  p* r4 C! G2 g8 X. ^
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。9 q# o# Y3 V3 `+ A: D) U; d. f
4 H, f; P% ?. \! k7 L
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。, K- N: P- V' i2 ?

) N8 {9 j9 {( ]  G& d8 Q / F6 o9 C* u: r" E1 v) w
想象中的歼-20C将完全占用机内武器舱# K5 U; X3 C- @' P' s

/ {, }7 V+ L* h 7 C  S1 @/ ~$ }9 X. E
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! d( e% h; ?" N/ M: g5 Z
- J3 ^8 J5 Y' I  c' e8 ?( [9 g+ l
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。) c# }: I/ g8 [( S5 _0 Y/ k, v
# o5 B3 u* V6 G2 f* z
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。0 ]. I2 a' N5 j# i% ?  |
6 O) C' U/ X7 n1 {3 a7 N' P0 K, 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。9 T: A5 [  R8 D" j7 A  H+ j
8 j7 M* G* @: }  C
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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    沙发
    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。
    ' F# H  i9 F( `! |; ^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! J0 f6 Y9 j6 |6 h& P$ X/ c* q
    2 J! T5 [0 w) c  |, 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* Y2 t2 n! J" c/ X4 m
    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 ...
    " d2 L% O, a* g; Y+ m4 k, _
    喷气发动机的调整没有那么快,大推力的惯性更大。
    & n' k% |; f0 `8 f2 L( k. e; d% y( I2 Y; Y( r
    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。
    . T0 K7 N4 X/ p% H& {! o0 r! G& V  b( ]9 u
    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
    & k) c6 L8 O* r6 T/ y. L3 L喷气发动机的调整没有那么快,大推力的惯性更大。. ?3 h! r/ v+ M5 B3 e: h' n

      t. M# e& v& ~1 e马斯克那个做法被业界很多人骂,原因就在于这里。他现 ...

    " q( S8 \5 W. n8 Q8 Z; {还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。
    4 [& ?& R1 u* q" i6 k6 S6 Y: t1 Y0 v1 Q) U
    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
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    5#
    发表于 2023-2-14 05:53:27 | 只看该作者
    , o- `* \( g# |
    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。。。
    ( d  {) C; E$ p$ ^, N# v+ ^/ g
    1 X# s' J, @! s# c4 ?  m  X
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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- }8 S& B$ P- j8 [3 g
    还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。
    ! K# l" i2 }8 w+ t0 X
      c) n2 L7 {' m* Q! i" M" _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 ...
    9 q" q. C  O/ [

    ( h# X7 ~+ p7 y* |1 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
    % D- |* n- X0 y' H! F% ]  p; r像这样?

    # ~. p( d7 b+ E! Z; b对,就像这样的4 K8 n7 \' r6 P+ k. ^+ B
    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
    5 f' j( P" Q% d' G& [  `$ x% U对,就像这样的$ L  {! b/ b6 ?( U& B; Y9 F
    不过这个看上去还是有servo控制副翼?我是打算全去掉 ...
    . K6 E; J3 X& f0 Q) z
    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
    * z& f9 ], U( A+ a! y那在平飞的时候怎么控制横滚呢?
    4 t( K1 C+ x( n" D
    跟大疆水平旋转一样啊。
    , m9 K; B$ \3 S* \1 w" W
    6 H- s; m& p* K7 \  f8 x4 q% @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 16:587 w6 ^. B+ f0 \# v1 ^+ E
    跟大疆水平旋转一样啊。3 l8 R" `$ K, d3 L! c7 e! L+ ?; R  r

    & P: M/ w8 z. j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 ...

    : Y! X! i2 r2 i4 J* E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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    [LV.1]炼气

    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- X7 r2 U+ Q* 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 ...

    : @4 @& B( m, h2 d3 b# p/ n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% r9 m% Z* n8 }7 c
    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 ...
    $ A7 x# u! e1 W3 s" {
    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( ?9 x. w/ \9 N$ 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? ...
    4 x* m* i* L+ R- g$ p  r, ]8 z
    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
  • 签到天数: 7 天

    [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/ O4 q. F# F; F% z( z2 S
    嗯,试试吧。感觉重量应该不是问题,两边是对称的

    ' w3 D+ g2 r( D( q8 [" y3 ]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; @. x, Y# d2 |1 C
    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 ...

    1 B& v2 q* D  l. R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+ a) K0 F! z. i4 z! N& \# |
    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。 ...
    ) b$ l' E, `; D) P; ?; e
    这个倒是可能是个问题
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