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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
. V7 @" w2 v" }0 \" e( P3 ?/ J# Y% b5 l
《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。0 Z, D# k% h2 C- `: c! P2 X7 ]
6 a" E. U/ ]% c: L
. e0 v- n9 k3 x
《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?( J& x8 ^0 d* g, i
* h( ~+ p- T+ k  B
+ k  r% ?7 i1 F
在电影里,歼-20C是可垂直起落的歼-20改型,在思路上接近F-35B9 a" f$ g' q! }! p

9 l5 t7 R: S) r; L9 m7 G
5 O# U, O  W0 q9 \还有人认真地画出三维图
) z0 K) U1 J3 m3 I% I0 O
' 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。
+ N) H7 b6 F7 D, i0 O4 n# X9 j$ {5 V* T/ e2 D
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。5 d  B' W* r" ~- T* W4 b* b
8 G4 _5 M2 K$ f! l4 `- J
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。! B1 e) E% Y% S& M
3 {7 S* d" `7 |
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。
5 E" o9 n/ b4 h/ e, f' M9 @* j2 ]% y/ u8 ?3 n3 t
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。
7 X, g* p) c$ z  M- f+ f0 ?
+ 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:# H8 c! t& v  y

' 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+ T3 x2 b: C$ g$ F# t- v" z. W
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0 i2 F, P  z5 ?# Q$ J5 r; D: L
# M, R. r8 i% [9 M4 Z! S' @7 t
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。1 f" _. V* E# l) [% ~
# P' D* V6 A8 h4 C6 G1 `+ h  h/ I
左右平衡则像“鹞”式一样,用一对喷气的平衡臂控制。
9 W# c4 D# |- k  D$ |8 y# F1 g4 {( D' G
: B, ?% y% {/ M, \$ L
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
' @) o5 u+ ?) x+ k: k/ a7 g8 Z# L
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!
5 ~( \  [7 r* B% P, s5 Y( x/ Z3 W! p
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 j! L: q3 c
4 O. g  R4 z  g, N
- _2 {0 b9 E0 f9 F/ `  K5 a
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- ]$ r; G6 {8 M! u# f
! ~7 Y! P7 }/ j  ?- q9 l

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
' ^2 q- e) b6 @, t: a5 y0 I* m# u
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。
* [, Q$ e) D! C2 Q
/ 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。% o4 q. A7 s. \- C5 }

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。
8 ?# |# D3 X# ~  e( A6 }4 `( Z& R" w# l+ n! W+ r
9 l" w0 r- y* f  ^7 N
想象中的歼-20C将完全占用机内武器舱
" |. H' [$ r7 t2 [, C
, y' m% q- V- A, H, P8 L1 J
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1 _; ^; X% E+ Z+ G) F  I7 o" j8 {

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。
$ \4 T2 c6 m" v7 g: C5 Y( f/ q$ K
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。
1 H  c3 w3 O! {7 t
: {, ~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。

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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。
    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

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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) \2 Z3 g/ ?  U+ 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 ...
    # `3 J: D+ o4 W4 r8 P
    喷气发动机的调整没有那么快,大推力的惯性更大。5 k6 f/ i3 _1 }
    ) J$ Z6 u- _( T. X& G% V
    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。  p% P2 s0 l0 h- A& H
    ' w  `3 X4 c6 h: F2 y' F2 H: W2 d) @; _
    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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    发表于 2023-2-14 05:46:25 | 只看该作者
    晨枫 发表于 2023-2-14 05:28! O* c. r2 H+ E. @
    喷气发动机的调整没有那么快,大推力的惯性更大。) r/ M+ l9 S: M5 g% b0 |5 J9 c+ ]
    & ~# y( N4 C% K5 i) A3 N
    马斯克那个做法被业界很多人骂,原因就在于这里。他现 ...
    ' J( K/ |- f& N( q6 q, j
    还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。* e* N  k/ K3 g$ |6 ^6 C4 z6 o' R

    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
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  • TA的每日心情
    开心
    2020-1-2 23:51
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    发表于 2023-2-14 05:53:27 | 只看该作者

    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! Y6 n( l( ]# q7 q" i( z5 K
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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* _( \+ p8 t5 O2 _) q  t
    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+ l. [: N& m& i: H
    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 ...
    # p8 R. f! |- m* R3 R1 O$ R8 I9 m

    5 ]3 w0 L$ ~; [1 B/ l  E* R2 h像这样?
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  • TA的每日心情
    奋斗
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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
    - 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
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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$ _$ Y4 H+ U( d) @0 A6 ]' `
    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?
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  • TA的每日心情
    奋斗
    2020-2-8 10:08
  • 签到天数: 2 天

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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 06:51
    , 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?
    5 ]6 V% \& r# w) Q
    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
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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" E$ u4 P1 y" x  G( g. k. O" H
    跟大疆水平旋转一样啊。0 t9 m$ ]) t% T9 t' {3 B( K
    3 Y, ^8 l9 s0 p& ?1 Y3 r1 G
    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?
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  • TA的每日心情
    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
    % [+ 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
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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
    ' 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?
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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( p3 \9 U, X  C6 Y% ?) x
    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
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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
      a( @( e- p2 [" g嗯,试试吧。感觉重量应该不是问题,两边是对称的
    - f# `4 o3 O& m3 `3 I8 u& P6 R) J- |
    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) }8 D- T: J2 w& J0 _8 m6 {& @3 @8 S
    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 ...
    ) P; N! n0 L+ t. n& t
    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 09:398 A# A9 h/ f% A4 _3 T
    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
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