爱吱声

标题: 歼-20C的传说 [打印本页]
作者: 晨枫    时间: 2023-2-14 04:14
标题: 歼-20C的传说
本帖最后由 晨枫 于 2023-2-13 14:18 编辑 & r3 d& Y9 `+ e0 N  ^& w

# U" ?5 A/ I& L  O5 z5 i6 M' m2 |《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。6 n9 `: `( }  \3 J& I4 O7 J

' o7 q" f( S+ p& b; c0 F5 w
* V- |' d/ i: v' ^《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？1 v- Z9 v4 H8 W
. ?. |. l$ H) R
) l" j* M2 w: v
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 W( s1 {0 G& Q5 ~! t2 N# k
) n; z2 n7 K( F" O6 q

$ U0 ]  h3 r, R/ z& C# d% U  O还有人认真地画出三维图
3 G, x  @4 B5 ^5 b# {6 m0 @: A! I# p
* d' _7 i7 r3 Q- l% B# I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。# t' c  M; k( g! L7 X
+ m: d9 I4 C4 N+ P8 q2 s0 P! }
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。
# E, R) m0 O9 c4 Q3 _8 K. h( h8 t7 S$ P6 x/ Z5 Y6 t# [
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。
" A# _/ j" ^# S
8 O2 s: T; {  {3 U6 U) \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。
+ ^9 k: w8 c3 n$ O( T
7 C' u- O2 a& V! T8 g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。1 p9 f' G9 d* p/ ^

: J$ \3 P4 i! y0 p; e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：
" X2 }$ ]' E/ J
( ], g  R! t4 f% Z% E  d1、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& d: v) t  D7 _* V
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
: E, C/ f: `" L5 i* Q+ E) }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/ M( Q5 _$ }: H& [$ P8 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
( ]# K4 C" i' p: f0 {' X% H- {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
, P- j( a$ x, r' i
' x8 ^( t3 w/ D3 _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 k/ a9 ^. c8 ]/ {4 W

! h6 m  W# y5 W! }: |4 h+ T左右平衡则像“鹞”式一样，用一对喷气的平衡臂控制。( L8 [0 J% m. }: ~1 b

! ]0 N- t% W7 `# r2 x/ | - h; m' j: D1 I/ [
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  I1 m3 X; \! T! p+ q+ c
0 K$ M* x, n3 r0 c
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！
0 E" G! ~; r5 `6 p8 o3 E
. c) D' B! [& i+ r% E% W/ _3 U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。" v* O8 N( `6 `) V$ f" ?

; v. q# ^" l9 H+ [" R" r! k9 y * J. \3 y) `, n: J5 T
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) y: k( C& G9 L3 Y( A

# J: ]8 ^  `2 X# w
0 K4 t/ R/ M4 P6 [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+ G( F3 G6 f! B$ W! t% F' ~  Z+ W- s* A9 o' X
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。% D9 z. y1 c! Y' z
& f1 e+ @0 R* q3 I7 a
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。$ a6 j+ E# a- a" Y6 h/ D% M

) X; D! X3 c# J3 H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。
7 g" k( t) w8 s0 I3 U6 N# X
* u* v" b6 k" J6 q6 h7 e - I: s7 ^0 U2 o4 i5 V
想象中的歼-20C将完全占用机内武器舱
# N+ L8 d3 A, m! \3 `
. c; e  J1 l# O; h( h! `  k% D' J
$ Z2 K7 [6 o% q7 x; I! T$ r( ^+ |! q. B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* J- Q* A1 V9 J1 ]  l

! X: ~( ?6 [) F) D) Z! i: k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。
( J: U& u" C% P$ v* b9 D7 F! |* s/ }, o" U' V3 w* l. H7 b4 k' 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。
  q% q% }2 l6 j& M% Z1 F1 w1 `
; {8 d7 d: w5 J* Z" a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。( z0 M+ x5 J  R6 A

6 S0 X, @8 {: 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。
作者: 机器猫    时间: 2023-2-14 04:36
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个发动机/风扇的推力。
8 |9 K1 K' _+ B+ k- t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, k: ?6 B% d
; \$ K6 V2 m+ l2 X3 {9 y4 f+ h7 e  _
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
作者: 晨枫    时间: 2023-2-14 05:28
机器猫 发表于 2023-2-13 14:363 O6 W+ v% E' _2 i+ ~! H7 f6 P+ n
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 ...

4 K/ N4 [. [* Y喷气发动机的调整没有那么快，大推力的惯性更大。
) e$ a3 d. F8 n! S" t/ E7 |# L+ |: ~# a$ ?0 S2 J9 k- f
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。8 }" f- z" d+ x% j; z; |9 E
/ b" \" F. i+ w% q
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。
作者: 机器猫    时间: 2023-2-14 05:46
晨枫 发表于 2023-2-14 05:28. H+ Y; f1 i+ v
喷气发动机的调整没有那么快，大推力的惯性更大。
/ J" J  B1 i- \" e, [! G
5 s# V4 {( R! F+ H: M) P5 j马斯克那个做法被业界很多人骂，原因就在于这里。他现 ...
" y& \6 |( y3 Y
还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。& z  p! g$ T- a2 K4 s8 M% X

1 M2 b1 y2 j5 b% N0 T+ r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
作者: 五月    时间: 2023-2-14 05:53

: ]; t* Y: F! 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。。。0 h8 g; x" l+ v4 H5 D  a

% k. ]. C  f9 l
作者: 晨枫    时间: 2023-2-14 06:13
机器猫 发表于 2023-2-13 15:46
# u0 q& ?0 T. }6 v4 g2 G还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。6 {# \/ R; @1 x! B% A

7 J2 d* ^7 G9 K9 `5 u- Z) G) B5 x3 U: 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 ...

, [/ B& T9 I) l  Y) Q2 X' F! P# Y. m. _3 r7 D0 I. `5 W
像这样？
作者: 机器猫    时间: 2023-2-14 06:19
晨枫 发表于 2023-2-14 06:136 w, X' p4 F: P6 g8 `# O" N7 \" D
像这样？

6 y! S9 r5 f+ s: A% L% W' ?! T; @对，就像这样的" I$ _9 Y2 Z8 h( d9 x4 @& ~
不过这个看上去还是有servo控制副翼？我是打算全去掉
作者: 晨枫    时间: 2023-2-14 06:51
机器猫 发表于 2023-2-13 16:19
6 X8 O  p7 l' l1 g7 ^4 W对，就像这样的
! t* s% a/ R! N不过这个看上去还是有servo控制副翼？我是打算全去掉 ...

  P  Z& v3 _4 Y: o那在平飞的时候怎么控制横滚呢？
作者: 机器猫    时间: 2023-2-14 06:58
晨枫 发表于 2023-2-14 06:517 b! C1 Y8 e" G0 u7 Q& O
那在平飞的时候怎么控制横滚呢？
7 U" y1 z( }7 N+ J6 X
跟大疆水平旋转一样啊。
* G; r" z% \4 v, Q& n8 b* H2 n4 ~& I
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
作者: 晨枫    时间: 2023-2-14 07:08
机器猫 发表于 2023-2-13 16:58" d8 P& S% ~& R9 d1 p/ i
跟大疆水平旋转一样啊。
( b3 X. s" u) ]* b0 r7 Z5 N& S
4 U5 [. B  X5 a% ]* h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 D! d+ ?8 }/ u6 a; Y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？
作者: 机器猫    时间: 2023-2-14 08:09
晨枫 发表于 2023-2-14 07:08
1 D/ M0 Y. p" R4 H" I+ r5 ^$ A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 ...

% p: i' R) \! \$ U' 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
作者: 晨枫    时间: 2023-2-14 08:33
机器猫 发表于 2023-2-13 18:09# h: U/ E1 P4 ~0 a1 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 ...
1 b! ?2 P/ I) P. v
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？
作者: 机器猫    时间: 2023-2-14 08:42
晨枫 发表于 2023-2-14 08:33
! \* l! K' v& P$ h2 A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？ ...
- W) j" J$ J5 O
嗯，试试吧。感觉重量应该不是问题，两边是对称的
作者: r52097    时间: 2023-2-14 09:36
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？
作者: 晨枫    时间: 2023-2-14 09:39
机器猫 发表于 2023-2-13 18:42
- H5 V. B& ?, Q: T: Q1 Y嗯，试试吧。感觉重量应该不是问题，两边是对称的

7 r8 U( |3 C: x& u$ a! B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。
作者: 晨枫    时间: 2023-2-14 09:40
r52097 发表于 2023-2-13 19:368 ~0 G0 v9 ^0 O9 Q/ b& T& A/ X
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 ...
; W. F" z8 x( y' g# v! y9 H1 s4 R- z
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。
作者: 机器猫    时间: 2023-2-15 01:18
晨枫 发表于 2023-2-14 09:39& o8 S7 {9 y) A. B5 X
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。 ...
1 _/ H" D8 E5 k$ i. k+ `
这个倒是可能是个问题



欢迎光临 爱吱声 (http://aswetalk.net/bbs/) Powered by Discuz! X3.2