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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
8 B. J3 i) a! G: n; M( `
' E. p0 x$ S& b. j' w; I《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。
2 n7 p3 \% o/ g' R3 x/ b( z& J" R& d; q& ?9 x. [

. G* [; R! L/ x- k9 O7 ]0 S6 h9 Q《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?4 |0 J: D+ B8 K- V& t' c

) K  d0 ~' k  t6 Z, G% E7 G7 n8 L
7 n5 f! r5 R! I: v7 `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- p: d0 c0 B$ Q8 e5 R2 a5 ^1 }

$ u- M- f/ Q8 x. p7 t& u; c; l " L# H! q8 D0 V% J+ {
还有人认真地画出三维图
- a4 ?5 }% [- p
2 r1 p6 [$ F0 d; x- I+ s$ H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 v! P' u8 X; t/ l

0 _% N/ s( z# r2 D1 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。/ p0 s( t/ W3 z; L

5 }7 Y; \( e) M1 H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。
  {4 b6 U/ d; S/ N+ A$ d2 g7 T$ \" w4 K0 _- V  i- A  C* o
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。; F$ k0 R5 d. _6 `& y( s( K
$ Q+ v7 Q, U% R5 b4 d: O2 h
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。
/ v* L; i/ Z% B
7 c$ Z- B9 q2 P' w# `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:$ j# e! N  p9 J" E* n$ |& T

% ?1 g, V8 I8 U6 g, t# s1、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
. ~+ \6 m4 {7 p2、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
2 B, ^, Q4 L9 M7 i3、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; Y. b9 N6 A& d. |; m
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7 j* g; n, \% V5 O& E
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
) w' x+ P/ u7 o, N  ?! u
0 l2 a  |: |2 `- i2 Y( EF-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。
+ r* o. a# Y1 V! k: D6 A" e  L3 Q3 L
左右平衡则像“鹞”式一样,用一对喷气的平衡臂控制。
6 c/ ^9 j9 q$ _: e
% C1 G; y' H$ p% o7 l3 L/ k& v 1 n1 H, z/ b9 _  [9 C7 k0 u) Z+ @
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- v/ m- {( O; a7 x

7 Z2 }4 j( n$ B! w- u/ T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!
- n; U$ ~5 X7 t% a
- L8 G0 b: @$ e$ G5 ?( b' ?* [/ w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。. \) c; m. x& ~! R1 {% _
  J3 j$ p5 v( ]. \

: O5 y8 ~; ^5 e6 K  H& _0 c$ 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
5 Y) \' t: [4 s. k* h
8 t) n! G# q9 J( |: W* j
# R- t# j) u; s$ i9 g. B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
( C+ `7 B1 m) U% H0 i! V8 F! D+ v4 Z- R7 A, u2 o
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。
& y8 d) m) H6 M) p5 G3 U" _8 q
( W" b& [5 R$ Z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。
7 U9 I8 E; X' j/ }9 K
+ x7 U: S  L. O) N; G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。. l0 ]* e  N5 M, P# [

! n8 ~+ D; J9 `7 |2 @, z& M7 v4 D  v
. K" f+ E/ a" W2 z7 v( i0 j+ D想象中的歼-20C将完全占用机内武器舱
( \9 C, ]$ a! N+ g0 S% `4 i; c
7 D/ k+ [8 H" R8 Y
- O: f- v% S& 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
5 E& ]% `6 f2 x: p" l: k
$ F$ U2 R* q- ]5 J. m6 y0 Q9 L. g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。% g9 I. V1 l& }* D* Q
+ o' H& y; X& `0 B
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。  ]" g' I  x9 ]0 Z
: r0 c/ T& Z" ]4 M
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。
$ M# f$ C1 C5 k# o; h8 a
0 B! K. V) q1 @' V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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参与人数 8爱元 +72 学识 +2 收起 理由
testjhy + 10
johnsonjian + 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。. K3 k( g% h9 g$ n6 |4 v
    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  j: q2 b8 `& C; u3 ^! m

    + U5 F! _: R8 u3 |: k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# D3 q- c) n& t( b8 `# W
    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 ...

    ! U  i8 `. U4 U, t$ C) O喷气发动机的调整没有那么快,大推力的惯性更大。1 E5 M4 |2 s5 Z" c4 ]% r* Z3 Z

      R1 ~. R/ x1 z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 Y, ^9 @7 e4 e; _' [0 c' O1 m- _2 G* \- ~. z
    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 05:282 l6 V, |- Z9 H( H  p
    喷气发动机的调整没有那么快,大推力的惯性更大。* {/ q) R3 F, W9 j+ a

    % t; s7 y& v0 ]. M; @马斯克那个做法被业界很多人骂,原因就在于这里。他现 ...
    7 z# k$ n# Q- y1 u. k& d9 r
    还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。
    + U* ~' k$ `' |2 D0 T- a4 D; {: {+ X4 P0 m/ `# o
    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
    / L) N( Y1 p5 Y* }" Z: R2 X
    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。。。
    9 @5 w1 P# _1 M) w& [" z! G1 i& f0 o& A
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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: u) g6 r3 t1 s. J0 j8 a! A+ ~
    还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。
    ; ^- p. p1 `6 X7 Z. Y( u0 Z* v8 R
    ; V0 \. M! [6 g  R- b& h/ W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 ...

    8 X' D* w4 l/ \, j3 U  i0 n9 N9 y! d: ]
    像这样?
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  • TA的每日心情
    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. E. N1 }0 j- }! _) L" B
    像这样?
    . t. y4 i3 A) G+ b  [
    对,就像这样的
    & H: F9 Q8 Z* }; V1 u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 16:195 H1 J4 p' V- ?, _6 Q1 _8 I: h- W9 z
    对,就像这样的% Q1 l3 f6 p6 ?2 f4 Y
    不过这个看上去还是有servo控制副翼?我是打算全去掉 ...
    # M, f) q8 k  `' M9 T2 L
    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$ F! A3 M  m$ [1 R: T那在平飞的时候怎么控制横滚呢?
    ' ~1 z  I. k9 O) ]
    跟大疆水平旋转一样啊。
    3 n% \% S# Q6 y9 x9 A/ ?4 Z4 _
    7 ~7 j2 |3 g/ F* z) _6 Z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 16:582 Q* ?( r* c  \
    跟大疆水平旋转一样啊。! T" t* q* o/ [* Z7 I" w

    . c3 y4 c+ d& C  L# k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 ...

    1 ~. M: \/ h& d1 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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  • TA的每日心情
    奋斗
    2020-2-8 10:08
  • 签到天数: 2 天

    [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
    " K: K( P! o! C! ]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 ...

    ) Q$ C" Y7 u- {) S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) P- S7 N9 t/ V3 P' g- j# z
    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 ...
    0 J2 `  I* M- Q, e! y" ~" c0 `% 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?
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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/ p- R; R8 t/ d. X7 ]
    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? ...

    6 }, Z. l  \  n0 H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+ P2 @" U4 \* z( {
    嗯,试试吧。感觉重量应该不是问题,两边是对称的

    & K; i" c0 B& N; y5 g& C+ ~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
    6 ^" t" _% @2 [, 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 ...

      O% P3 O. x0 Y- H' S4 C2 a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& t. t1 O3 s. `  p% g8 ~
    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。 ...

    # z  S* I/ P4 k这个倒是可能是个问题
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