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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
# Q* u) T9 b2 D% s- u/ a* F* s
" G1 o- D* E* S8 x. U《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 }  b5 `( r  O6 l! y2 U

; R2 O7 o; U0 @3 o0 i0 N# W $ t& u3 ]! v( L5 o  h: q2 Z
《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?$ c& I$ ?, {5 _

4 Y3 A* }1 u4 k3 ^/ z0 r
. h  ?6 P3 ]& ^. q9 {3 n  e( b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
2 E! F' {- v& L
0 w, J3 o5 m; X! R% s# }$ X
; h, y+ K' k+ B# C还有人认真地画出三维图/ l& }" Z# B0 N# n# N+ q. A

4 v, z- p- K8 A1 G; O, e5 Z. m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。. O8 j7 Q5 m5 s# D  r" Y" `
3 X$ Z  j. H' Q0 S
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。
& i  @8 P3 H6 E# W/ D+ ]- A% N" o" s! X
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。- Z/ }+ _$ m1 x  ?# A# x
0 ~( B; Z8 W: G* F
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+ c# w7 P2 i( d9 B1 z! v0 C" d9 V; ~2 j
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。$ \) w& P; z! w0 S0 \4 i" e
+ z+ Y& n$ f# R$ \
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:5 V0 N* E/ N, n+ X- Q0 f' {( }
8 _8 ?; w* a% W4 Y$ u2 Y6 b9 q+ v
1、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/ J: s$ X+ `: _0 l7 J; A' K& s9 X& P
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
. ^& U1 |9 p* H& ~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
% U' ^8 V' `, {6 k$ D4、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
! |2 p8 P  t! Z5、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  O, N& o- W  o5 q; V

& a% k! y) t+ U( b4 kF-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。
) w  x" Y, K6 e- m  ]4 ]0 p; X- C" ~( s1 m1 E
左右平衡则像“鹞”式一样,用一对喷气的平衡臂控制。
# I  C7 \4 z$ B* u8 R/ h# c; h- I& }! L1 N

/ s  O0 e, N0 D/ A( G2 d" AF-35B作为最先进的垂直-短距起落战斗机,很自然地成为参照& Q' \1 P0 @; z0 A
% b9 |; v9 a6 E8 A6 F
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!$ F, f5 T& V# |) n2 t  Q1 V+ r

2 Z" `8 \9 h" J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。
  f% v2 A6 N6 |
! h, d& Q" C- k" n2 R- o0 k  l2 b
$ Z) x  s' U) A" l* E  Q2 wF-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
( j" w/ r# Q' W6 ]& i& [
7 S, ?9 Z4 G/ A- N7 P: ?
- R  W- B- E% b& g8 w" l0 Q* Z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1 c5 V) m% _" I* r+ o

% t( [: z, j9 p6 R4 o5 F4 b5 k8 y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。; T" H( Q/ h( G
3 c. v) q( O( e: f. w8 j" \' O  U
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。) m, Z* x9 Z7 p* x! D

0 u+ Q& t' {8 S9 N6 s3 F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。
& X" g9 o8 R6 f  g! ?6 {6 d* ]
" N4 i2 J. [2 y4 M( q. W % H" h2 {$ ^8 [1 F# v
想象中的歼-20C将完全占用机内武器舱
" |4 L  _: P' q' R5 Z7 D0 ^* l" g; f

! B, r1 g  w0 I2 W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
' H% o" _2 Z4 [' Q+ z! s2 V) Y7 ~7 }& H) Z% O. j6 N( b( B
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。
* [1 s" W( ]; g$ g  ~+ y3 E$ p0 A3 P( b, a/ R* I3 b$ Y
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。, i- B: e. T. k4 j4 e4 ]/ A9 c

$ O' }/ z, K& b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。& I* \1 t5 P" l3 R) V

! D9 {8 d# F, C3 w% s1 L3 K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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    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
    . o  H: [7 \# J9 ?! V1 k; ?8 r
    3 {9 r* }5 u/ w' [; O$ M9 q6 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

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     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* M, X& l& N  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 ...
    5 W# U) q7 s& a9 w1 r
    喷气发动机的调整没有那么快,大推力的惯性更大。6 E& Y/ ?/ x3 l; J  S

    % C% K" ?" {3 n. R6 `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。, p0 z" M" q8 Q: P) b0 x+ j
    ' q  i. V3 n2 z. I8 y! e3 y. u
    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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    晨枫 发表于 2023-2-14 05:288 f, h; \) S8 ]# c) q! O
    喷气发动机的调整没有那么快,大推力的惯性更大。  s2 ^# @: u1 A! O. J
    " }4 @! u- A; r# ^! _, L: L5 E
    马斯克那个做法被业界很多人骂,原因就在于这里。他现 ...
    8 z2 W! \! x, Q0 }  X/ ^
    还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。8 H/ P; ^+ f: |9 z' O" K
    . M) N. i* t9 w4 x& 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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    6 G3 c) i# {0 q/ T0 ]& z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。。。
    : v2 z& j2 [. ^+ \' M, {
    . L5 b) X9 w4 I" D
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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
    / ]  [' ]  g: |/ ]还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。
    / i7 H, ]4 z3 Q8 `+ n' n3 |  e* [+ U& E5 J4 P) x4 y: p1 b
    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 ...
    / X( M' U$ f/ \8 e

    & t- [  i4 m  M* f# p# x像这样?
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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/ ~8 ^& q; ]- ~
    像这样?

    ' }8 R! L7 k/ u: W对,就像这样的
    0 i# q/ U$ ?0 N7 B2 s* Y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
    ) _% R) _: ]$ J8 o3 ]0 z% D2 @对,就像这样的. |9 @0 Y; g0 A0 L* i! R. M
    不过这个看上去还是有servo控制副翼?我是打算全去掉 ...

    . E; {! R7 L" S  v' F( I6 R+ \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$ R0 K9 S  }. v8 C" {
    那在平飞的时候怎么控制横滚呢?

    / p/ _4 p! j# i跟大疆水平旋转一样啊。
    4 ~" r9 I& J% p) ~1 d* G9 }$ A
    / Q' a+ H) C; o9 h5 U- 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
    + S) y! l5 Q# N1 F' O跟大疆水平旋转一样啊。! v0 T8 Q4 r6 z1 l' Q9 I
    & j% r% s" ?; ~% P
    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 o9 w7 B  e# Q; J2 D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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    奋斗
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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 07:084 U/ N/ a3 f) k
    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 ...
      [3 a6 A+ o5 e, 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
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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
    ; a* e% P# D7 |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 ...

    + u" i& ^1 h* ~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
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    [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) v3 v4 e% {/ J2 c+ q
    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? ...
    $ H3 z. r! @1 I
    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
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    [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
    5 ]8 P3 @+ R: _& F2 v! `7 m+ S+ Y嗯,试试吧。感觉重量应该不是问题,两边是对称的
    4 v/ c6 \* |- _; S) f6 [& e
    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% ~/ k; u6 _' q2 h# G) L5 v
    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 ...

    3 j- N: G9 z+ H0 k5 M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% o, t* L2 U8 x/ N3 |4 O
    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。 ...

    5 v3 ]! q+ u( e9 ~( ?( D* f这个倒是可能是个问题
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