歼-20C的传说

晨枫

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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。


《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？


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

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5 O# U, O  W0 q9 \还有人认真地画出三维图
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' d, p% W" D. G' s# O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。
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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。

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。

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。
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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。
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+ l5 V) Q* H! n- |1 z+ K+ r$ 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：

' b0 S6 \, R  r- L1、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
4 t" H& s- l9 \, ^: i+ L6 \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
8 F: u" U, x/ F* ]* X% d2 Z7 g3、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
0 x, a9 \4 |+ J; ]; `, O4、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
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

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。

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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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
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8 C! _, w. u* s! a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！
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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。


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


5 o* M1 _6 i5 P. [5 j0 L- @) Q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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8 d# w$ y* A3 |2 f/ 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。
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/ M$ B0 n$ n& k" B2 O" B1 \, q  W) f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。

0 ~: q# j3 P# f9 _- R. I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。
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想象中的歼-20C将完全占用机内武器舱
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2 `) ]: T' Z4 y7 m' }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 X1 d% Y# J( x# f$ 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。
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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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: {, ~1 M3 s  V! u& T( y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。
  y; D% |$ y# r! L9 g9 O
( e% i/ W/ L8 W: p+ T. w1 e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。

机器猫

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。
1 G% C  v; W, v0 R% x2 n6 H2 k$ [! a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
3 N3 `: i3 F1 Q9 W. {: l: u8 y
9 A8 D. L+ V$ v/ q0 `: @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

晨枫

机器猫 发表于 2023-2-13 14:36
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 ...

喷气发动机的调整没有那么快，大推力的惯性更大。

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。

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。

机器猫

晨枫 发表于 2023-2-14 05:28
喷气发动机的调整没有那么快，大推力的惯性更大。

马斯克那个做法被业界很多人骂，原因就在于这里。他现 ...

还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。

1 O: u8 Z; D3 p, G: m) }) 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

五月

3 W/ _8 o+ k; u8 j8 g' c( a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。。。
6 m' f1 E& a( y! Y

晨枫

机器猫 发表于 2023-2-13 15:46
还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。
: w9 z- g# U$ u  X, _8 Y/ f* a
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 ...

5 ]3 w0 L$ ~; [1 B/ l  E* R2 h像这样？

机器猫

晨枫 发表于 2023-2-14 06:13
- L( T5 E' ?! x7 d' D! l3 G1 T像这样？

3 e% Q7 v- t! G8 ]2 O& Y7 h对，就像这样的
3 f5 s6 q! L. {% a. g* j! z* w9 l不过这个看上去还是有servo控制副翼？我是打算全去掉

晨枫

机器猫 发表于 2023-2-13 16:19
对，就像这样的
& b, O! O0 a+ L8 T不过这个看上去还是有servo控制副翼？我是打算全去掉 ...

7 x) L8 b( k' S/ x( b9 ]) L% C那在平飞的时候怎么控制横滚呢？

机器猫

晨枫 发表于 2023-2-14 06:51
, R' I5 F+ T' Q; h( x& Y- a# y5 y那在平飞的时候怎么控制横滚呢？

跟大疆水平旋转一样啊。
3 I2 a5 X! h- k+ D6 q
% q- Z% T8 N5 ^* x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

晨枫

机器猫 发表于 2023-2-13 16:58
跟大疆水平旋转一样啊。

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 l7 j6 q( ?* w2 x* {- t$ v1 q$ C9 w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？

机器猫

晨枫 发表于 2023-2-14 07:08
% [+ V& {& p6 }3 }8 q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 ...

6 F8 H  p! h  f: 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

晨枫

机器猫 发表于 2023-2-13 18:09
' a7 K4 C" D* j9 k* x, I0 _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 ...

" o) x3 P/ q3 Y4 c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？

机器猫

晨枫 发表于 2023-2-14 08:33
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？ ...

1 ?. G1 c0 C* k! l嗯，试试吧。感觉重量应该不是问题，两边是对称的

r52097

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？

晨枫

机器猫 发表于 2023-2-13 18:42
  a( @( e- p2 [" g嗯，试试吧。感觉重量应该不是问题，两边是对称的

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。

晨枫

r52097 发表于 2023-2-13 19:36
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 ...

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。

机器猫

晨枫 发表于 2023-2-14 09:39
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。 ...

$ H6 s# V# @8 H( |3 {, Q5 L6 D这个倒是可能是个问题