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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
. J/ O# p4 k" T6 l& ?
0 w! ?( q9 e8 w. B- {《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。% `9 m! Y- j- c) l# k* @1 D
0 j3 `8 [# u  [5 o5 c  D: `; I$ J
! z2 D4 _. o" x/ {9 V( Q  x: j: B
《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?; _: W2 |, x  M' h

* U/ z& p8 k# V# Y+ ]
$ f/ V; g: M; g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
& j( D; \4 i' ^# f9 q8 v8 s% ~, o0 X; z+ l

* ?' m( V6 O) B) o& ^* U- B还有人认真地画出三维图$ b2 O6 l; @$ I! [. b7 p8 h! U# Q
6 v6 q4 J  y7 [" v& D# w- O1 U
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。
$ N) \- k1 a$ e$ ?
! R2 m; K1 {2 f# X5 }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。  ~) y+ M# u  i9 d8 h

) n% T% U7 M8 L% r9 f/ R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。- I+ Z# F: c: \9 s
; C/ f1 i  F" @8 c9 c
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。8 s2 u) M# F9 m" B6 d$ o. V( F$ j  _

9 y2 a5 N5 x( J9 {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。, s1 k. h* |$ V+ \9 [- D; d
9 \. b" j3 p4 v8 B$ G
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:$ \; U. S: {% @

8 b  Q5 n! z! w! f% V1、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8 m: S% b5 {' C' E& J
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 i" d6 i, ~8 U
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
; o5 a; t! t* e6 _3 U4、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 c9 B3 K/ P5 q3 d/ j; U! O5、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7 O9 T. u1 }2 L7 z) D8 U
  o  Q. t% o, Y8 P$ K
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。
, t) A2 e% W0 B0 R6 C- V& M: b* Q* q% z' ]5 @
左右平衡则像“鹞”式一样,用一对喷气的平衡臂控制。1 k4 X+ ], B0 j- @' Z. Q+ c8 N
2 t' W5 s( p* [3 u( M# _. c
7 a! L. }! M: r, k
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! z* I* z3 F6 |$ N5 F6 Z' X7 d$ x9 [, u7 b
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!
( O- B2 s$ u) m0 R- K$ I' i6 D) n' {& ]2 t
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。# _! d1 q* G0 [0 d9 a% b

1 b+ R$ v! G. |1 r8 W ! j* D( u$ n( H8 H( v% V. R. P: {
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
: o% \8 w- R3 Y6 o
- ]2 E0 C% g( r+ ~8 u , A" y4 V% N1 e/ M8 t2 M1 O
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8 j) }4 i) {( @
& r% ]1 g3 D' E
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。
6 w/ Q8 |" {9 v" Q, P& y5 k! ~
3 e3 Y. H2 ?0 M7 f/ _" k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。
. e0 R# W) ?. e. M0 n
5 ?- V0 z- _  H9 t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。
9 }, e; k/ M8 u$ q" g
/ M8 ~' [. S& b" d1 t
6 k% z1 z) ^; Y( C: n& s) Z; j想象中的歼-20C将完全占用机内武器舱4 m  I  D4 v, s) T6 }
5 ]1 R9 m+ J1 j- l# |+ h$ M
) I5 N( _8 A, j/ R: t
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
* z* P1 R: B/ ^7 \" T: t, {7 i* T2 G1 t/ E
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。
; S3 W* v: f% J4 T" t5 R( b9 o, N8 n' @9 A3 n
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。
% u' `  k' `2 t' n$ O. {2 J0 ]0 D) z, ^
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 D5 s; q, V8 f- R( y1 X' G9 B8 q4 ?

) N5 \& M* F. q( Q' |. a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
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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。
      {: v; k! q8 a, a1 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
    * ]1 I. q" _. m: }) H3 F4 U9 ?
    " C* S. Z2 A: O; K) U' d+ |( X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' j' z3 `; ~2 H8 ]8 g9 k
    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 ...

    & n. n$ X4 J+ ^喷气发动机的调整没有那么快,大推力的惯性更大。
    6 `: u' a: ~4 N( c0 n3 S* |4 c* O# X6 e4 M) Y+ c
    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。
    , N$ A* f( x0 P- V1 y- b$ k, L+ G+ l+ E. q$ q$ {6 _# o" Y8 N
    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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  • TA的每日心情
    奋斗
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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, Q0 G( B; g# C3 j- Y  d# X
    喷气发动机的调整没有那么快,大推力的惯性更大。2 s/ r; U$ [! D
    6 A2 n  v% q+ ~+ [
    马斯克那个做法被业界很多人骂,原因就在于这里。他现 ...
    ; ?2 N- G) C/ J! K
    还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。+ [* w, `8 f1 v, o
    * c$ W' q# c, O( z
    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

    " }5 h) R) c1 p8 O3 T  a; o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。。。
    5 S7 s* a/ ~3 k9 N: K# ~9 k2 L* @7 D/ _) F  U* m# ^* V
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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- ^5 p- m9 G) p. V; s
    还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。
    % }* P' i* m3 e; z6 E
    6 h! d5 s4 E' |1 o+ h) L6 G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 ...
    , t  ^8 A9 y# [5 R3 x3 W

    . R1 R) K9 l, p0 e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
    # ^' f( a- T/ }' X" T# o$ R像这样?

      I1 W% ^4 L+ r) ]& P对,就像这样的0 n) E6 H* j8 r# L  X( l/ Z
    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 16:198 T3 c- v- R& f: z" C3 P
    对,就像这样的4 Z5 y5 E! n% z, x, N
    不过这个看上去还是有servo控制副翼?我是打算全去掉 ...

    . w: w- c3 F% x4 a; w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% B, K+ }  V. U" r0 K, `7 y2 O
    那在平飞的时候怎么控制横滚呢?
    3 `7 A" B% g. W& \8 o% c" n; q
    跟大疆水平旋转一样啊。
    4 o$ J2 ]% G8 }8 z5 a
    8 p7 j9 _" e# v3 _) X; l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: H, g) p. \" ]1 o) T& w
    跟大疆水平旋转一样啊。
    ! f. c6 P. h! f, ~. m  w
    . H5 f+ E9 _, ^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 ...
    8 D; W% S/ }$ g! z) Q3 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 07:086 s: K, t  U& N2 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 ...

    " {2 U7 c0 u( v3 n* m1 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
    % |, O6 {" P/ D* N8 w# x8 w, 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 ...
    9 d4 W7 |9 r9 \
    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  o! u8 r9 J1 Y' C, s8 L3 q4 u7 j
    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? ...
    & D* `: F! R2 ~+ \
    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
    9 q' h/ J2 G: U7 A" P$ ]5 s+ s8 g嗯,试试吧。感觉重量应该不是问题,两边是对称的
      j5 E# u+ p1 I' z" [- X* n/ D, 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
    9 v  w. i, a4 x+ o' K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 ...
    6 ^4 Y4 e( ], J0 j
    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, L) H/ p' p. d8 n  K% P
    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。 ...

    ! y0 K! c  L" W1 i7 I6 m这个倒是可能是个问题
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