爱吱声

标题: 垂直起落的路上布满了先行者的尸体 [打印本页]

作者: 晨枫    时间: 2024-10-21 14:15
标题: 垂直起落的路上布满了先行者的尸体
本帖最后由 晨枫 于 2024-10-21 00:20 编辑 . w1 I2 }/ {. @  `! G4 m+ b
# r5 e1 z% U3 z! ^+ _
“镧影R6000”的消息传出,垂直起落飞机的话题再一次爆热,各种“为什么不这样那样”的主意迭出。5 W+ z/ I; }+ f3 v  ^

1 q% m4 o! Z/ H6 a  G, |自从莱特兄弟历史性的一跃,像鸟儿一样腾飞就是人们不灭的梦想。但是机翼产生升力的效率实在比用发动机硬推高太多,使得垂直起落直径还是梦想多于现实。7 A2 i8 _" F0 z6 c
: t& i) ]% p. l  [( `& D* C5 f8 C
当然,直升机是垂直起落的。但直升机其实是把固定翼飞机反过来玩,飞机不动,但机翼动,一样产生升力。关键是机翼与空气的相对运动嘛。不过旋翼只能水平转动的话,直升机只能垂直上升、下降,不能解决前进的推力。伊戈尔·西科斯基在1939年发明了倾斜滑板使得旋翼可同时提供升力和推力,至今还是直升机旋翼的基本工作原理,但代价是阻力大,震动大,噪声大。这些不是技术进步能解决的,而是倾斜滑板的本质问题。
' e* l0 U) ]$ R* H& i: w. Y! N  g
旋翼转动中划过360度,必然有前行段和后行段。前行段必然产生“前推”空气的分量,造成额外阻力。但尽可能接近音速使得桨叶叶面局部超音速,还是要产生响亮而且周期性的激波噪声。前行段与空气的相对速度高,后行段低,不仅造成两侧的升力不对称,还因为桨叶周期性地扫过而造成强烈的周期性震动。前行段桨叶叶尖线速度不能超过音速,以免产生激波阻力;后行段桨叶叶尖速度不能低于失速速度,以免丧失升力;这从上下两端限制了旋翼的转速,进而限制了升力、推力的提高和震动、噪声的降低。1 F. c0 G" ~/ p- R3 o( r& N

: x- Z& }2 S+ M* c
/ j  N1 |; G2 S$ \- E旋翼产生升力的机理貌似简单,实际上非常复杂。前行段(右侧)和后行段(左侧)造成的不对称升力、后行失速等问题是原理性的老大难
- }) O6 k3 Z8 P" k; n* G& b* V
, r+ P6 t# {* R) A自然的想法是升力和推力分离,旋翼只管产生升力,另外用推力发动机产生升力。这就是复合直升机。一旦平飞达到一定的速度,转入由机翼产生升力的模式,而旋翼进入风车状态,减少出力,减少阻力、震动、噪声等问题。但“无用”的旋翼依然产生阻力、震动和噪声,只是较小而已,可旋翼的死重和机械复杂性一点没有降低,驱动旋翼的发动机在平飞时还成为死重,还要加上额外的推进发动机的重量和机械复杂性。相比于用旋翼和同一台发动机同时产生升力和推力的常规直升机,改进不多,代价不小。
# S: o7 P1 M% I: K6 \0 e9 ^( r( r- e7 z% c. j

) f: z1 a, A2 M' [) C升力和推力分离的复合直升机,图中为空客X3+ T9 m) w% L+ k* j+ w" L
4 ?( t+ m% O  Z9 l& Q8 Y
倾转旋翼是另一个办法,这就是V-22到V-280一路发展过来的技术路线,已经说了不少了,这里不再重复。其实这一技术路线还有倾转机翼,整个机翼连同发动机一起倾转,好处是下洗阻力小,坏处是短距起落模式时阻力惊人。
: d# f/ h- Q  ~6 a+ S- w
: P+ y( V+ I8 X4 e- e跳出旋翼/螺旋桨的思路,直接用喷气发动机是另一个思路。当然,这时垂直起落飞机(VTOL)只是能垂直起落而已,长时间悬停、侧飞、前后蠕行等特殊机动是谈不上的。) Z0 p9 U# |  P/ {
7 U& \! t: [) r- Q" |) h* L
喷气发动机体积小、推力大,但这时垂直起落完全靠推力硬推了。也就是说,推力必须大于重力。对于V-280这样14吨级的飞机,需要至少14吨垂直推力,实际上需要16吨,才能可靠地垂直起飞。
* Q! a8 L, Z6 @+ u6 [
- Y5 H- y7 E" G战斗机发动机推重比已经达到10:1了。升力发动机只需要短时间工作,寿命、油耗方面都要求降低,在70年代推重比就可以达到16:1一级,比如雅克-38的RD38就达到16.5:1。假定现在可以达到20:1,那14吨的飞机仅升力发动机就有0.8吨的重量,加上安装结构、辅助系统,这在平飞时是可观的死重。+ p$ U7 |; f+ G9 v  _  p
# \: I+ w2 g* Y% Y- d6 y

- D3 O7 J3 r$ f4 U& f" X幻影IIIV是典型的升力-推力布局
0 }" q7 ?. ~1 c( o' C
. D" y) `6 c& Z' l# Z+ X0 |2 u, v  F% {! Y
米格-21PD实际上只能短距起落,做不到有意义的垂直起落
7 e5 J2 R7 `2 W. _# e
3 }8 I4 r2 H" J( Y' V
. g; t! t+ C) s7 h7 {“鹞”式是升力巡航布局,但可靠性要求只能用单发,使得“飞马”发动机采用异乎寻常的四喷管,超大的推力来自很高的涵道比,不可能达到超音速飞行,使得“鹞”式称为超音速时代的亚音速孤儿7 f! x" _+ P0 G

  ?" c  S( o2 A. T0 z
( ^6 J$ Z3 x* L/ A2 ]" Y2 OF-35B是升力-升力巡航布局的代表* @; X* J8 Q" U4 u
" Y+ l1 o6 ~# l# d$ f

; K$ j. R3 t+ t+ G. |0 t. n* f8 s升力风扇提供部分垂直升力,另外一部分垂直升力来自主发动机的可转向喷管
2 I1 a: |( Q8 q1 _
+ \* B, q! w0 |1 x  h- z升力发动机可以有很多形式。有单独的升力发动机,这时另有单独的巡航发动机,称为升力-巡航布局(lift and cruise),例子有早期的米格-21PD、幻影III V。这时升力发动机和巡航发动机各司其职,但工作时间互不重叠。这个布局的优点是容易从现有战斗机改型而来,升力发动机的分布有利于控制垂直起落时的平衡;缺点是升力发动机占据重心位置,而且为了可靠性,必须多台发动机一起工作,死重大,占用空间大。幻影IIIV只是能垂直起落而已,毫无航程和载弹量可言,除了技术验证,没有使用价值。基本上所有这样短平快改装而来的早期VTOL战斗机都是这样,包括米格-21PD。
# E9 F6 U& d: {, v7 z0 }# n( d# m2 j: Y
有可以在升力和巡航之间平滑转换的升力推进发动机,称为升力巡航布局(lift-cruise),大名鼎鼎的“鹞”式是最典型的升力巡航布局。这时升力和巡航共享同一台发动机,在理论上效率最高,死重消除,但升力和巡航要求使得“飞马”发动机采用异乎寻常的四喷管,看起来就像一个趴着的乌龟。超大的推力来自高达1.2的涵道比,在以涡喷为主的时代,这是不可思议的,也是至今最高的战斗机涡扇涵道比。“飞马”不可能采用收敛-扩散喷管,也难以实现加力推力,很大的迎风面基和很高的涵道比也使得阻力很大,不可能达到超音速飞行。“鹞”式是超音速时代的亚音速孤儿,最终限制了有用性。“鹞”式的垂直起飞重量收到限制,实用中基本上都是短距起飞,才能携带有用的燃油和武器重量。
" q/ A9 f& h0 N1 @8 t4 _5 j/ l6 b) c: K2 m. s) r/ v: t
升力巡航发动机还有垂直升力分布问题。垂直升力必须围绕重心,还要有足够的三维控制力矩。这使得发动机位置和喷口位置的布置非常拧巴。雅克-36就是这样拧巴的产物,发动机非常靠前,喷口居中,机尾成为发动机的配重。
( U. B# a$ b) S9 u$ O
/ j4 F+ b. n; s1 [& T1 P+ c" |; e* C2 ]0 X& B' ?
雅克-36看起来就拧巴,也确实是因为发动机、喷口和重心的相对位置而成为这个样子的. S# o6 r+ [" v! s1 K- [' Q

" v0 o+ @) j5 p还有单独的升力发动机加上升力巡航发动机(lift and lift-cruise),F-35B就是典型例子。这是升力-巡航和升力巡航之间的折衷,既避免把所有垂直升力都集中在升力巡航发动机的缺点,也避免完全依靠升力发动机所带来的死重。6 V1 ~$ a+ I! B8 `* r+ t+ y
& c% W# ^" b/ O# j
但所有这些布局都不能避免一些共性问题:. q" [# o3 S+ A! n; P

; l0 v% Z7 I; x, I% p1、炽热喷流
) \% j1 _& {8 R9 A/ N! s' w: F3 Y- J
升力发动机的超高推重比是用死命烧油产生的,炽热的喷流对地面的热蚀很严重。雅克-38在“基辅”级上使用的时候,甲板和甲板下结构软化是大问题,问题严重到影响飞机出动。MV-22也有这个问题,通过临时铺设放热毯解决。但F-35B连放热毯都没法解决,“黄蜂”号在F-35B上舰测试后直接回坞大修了。整个“黄蜂”级都为此轮流进坞改装,“好人理查德”号就是在大修、改装期间起火、报废的。
* n' d! E# ?9 |7 E
6 D& ]3 e5 T* v+ o# p% G. X在陆地上,混凝土地面会被烤到崩裂,碎片在强烈气流冲刷下四散激射。1 @+ T1 B% P4 C0 }0 N- A% v7 G

& F, {, d2 j1 ]/ I6 M2、高温废气回吸
( l) @' q# |/ ?. g5 O+ _, U# ]" c: z- J4 _
垂直喷气触地反弹后,容易被升力发动机再次吸入,造成两个问题:1)高温进气使得发动机过热;2)缺氧废气使得燃烧恶化。F-35B采用升力风扇,一部分原因就是要避免高温废气回吸问题,另一部分原因是用借用主发动机的动力,机械驱动风扇,避免单独升力发动机的死重。
6 P4 z5 v+ c7 ?7 c: e' _, F7 W/ [4 m5 ?( h+ A
3、喷气在地面横向流动造成的对地吸附
. ~3 J3 A; ]9 L2 T3 D& c. T1 Z3 ^. }+ c1 b4 q
一部分喷气沿着地面横向四散流动,在机体下的这部分流动造成机体下表面与地面之间的文丘里效应,产生负压和向下的吸附作用,使得飞机难以离地。9 |( W% P( C& f% B4 Z. A9 m
& j1 W4 ^5 b8 }5 H' ~" ^% Y
在将能量转化为推力方面,螺旋桨更高;在紧凑性方面,喷气发动机更高。在旋翼和喷气发动机之间,还有涵道风扇,特点也在两者之间。
( }5 q  P& @' V+ }& X
2 s6 ]9 p, Z3 I# N/ x' V几十年来,无数人试图解决VTOL问题,构想从简单粗暴到匪夷所思,无奇不有。仅仅把已经实际试飞过的各种方案罗列、分析一遍,就是一本大书。事实上,也确实有这样的大书,我手头就有。但死重、阻力、可靠性、经济性始终是跨不过去的坎。
, c  |. T& y5 C* V! K; \  P1 I0 {8 U, N$ `* C2 A* B
F-35B是至今VTOL路线最成功的例子,V-280是至今旋翼路线最成功的例子。/ x' E1 v, J; l; a
4 ]' V: a/ C& b! |
一定有人会构想出新的路子,甚至以为科幻电影里的VTOL飞机可以成为现实。但科幻就是科幻,不能成为现实是因为经不起实践的检验。只要把这个那个貌似新颖的方案仔细分析一遍,十之八九可以找到历史上失败的先例,“喏,这就是为什么这行不通。”
3 y2 e4 T/ i3 ~
4 ^) R- ~+ ?0 D0 M' v2 [至于每一个具体的为什么行不通,就需要搬出那本大书了,在第x页上,自己看吧,一个一个解释太费神了。
作者: togo    时间: 2024-10-22 02:59
记得以前哪里看到一个方案,先用吊车把垂直起降飞机吊离地面多少米,再发动,可以减少对地面的冲击。
作者: 晨枫    时间: 2024-10-22 03:03
togo 发表于 2024-10-21 12:59  N" }( k" f& U/ F0 Z$ G# [
记得以前哪里看到一个方案,先用吊车把垂直起降飞机吊离地面多少米,再发动,可以减少对地面的冲击。 ...
3 w, e9 c3 t$ |8 ?6 d" c
Skyhook。对接的要求太高,实际上不可行。
作者: 雷声    时间: 2024-10-22 10:34
togo 发表于 2024-10-22 02:59' M- w/ s  C+ ^2 f
记得以前哪里看到一个方案,先用吊车把垂直起降飞机吊离地面多少米,再发动,可以减少对地面的冲击。 ...
1 U1 L% w1 u$ v8 H0 E- S# P& G
西西河的本雅明说起过这个。他的方案是搞小航母,塔吊式起飞。真的是有点扯了。
作者: testjhy    时间: 2024-10-22 15:24
晨大,全自动体外无人火箭发射台有人狂想过没有?就象马斯克猎鹰第一节,把飞机升空后自己回到某个海平台上,
作者: 晨枫    时间: 2024-10-22 15:31
雷声 发表于 2024-10-21 20:34( A: j5 h+ A( `7 A  `  x
西西河的本雅明说起过这个。他的方案是搞小航母,塔吊式起飞。真的是有点扯了。 ...
; R5 `( {6 z1 W) N$ H  @/ m3 s- j
唉,我来贴一个系列吧,历数那些倒下的先烈,好多比天钩还要异想天开
作者: 晨枫    时间: 2024-10-22 15:32
testjhy 发表于 2024-10-22 01:24
8 I, Z0 Z- r& m# ?/ u# s5 U晨大,全自动体外无人火箭发射台有人狂想过没有?就象马斯克猎鹰第一节,把飞机升空后自己回到某个海平台上 ...

6 ]3 d& W% d: O5 e! K, Q- T  l这个至今还没有。这个成本太高了,实施的条件也太严苛,大量玩肯定不行




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