设为首页收藏本站

爱吱声

 找回密码
 注册
搜索
查看: 1733|回复: 6
打印 上一主题 下一主题

[武器展望] 垂直起落的路上布满了先行者的尸体

[复制链接]

该用户从未签到

跳转到指定楼层
楼主
 楼主| 发表于 2024-10-21 14:15:40 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
本帖最后由 晨枫 于 2024-10-21 00:20 编辑 4 h3 d6 E) l3 p0 E& u% d

- k& G' e4 t. H3 O4 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。. j, _4 n- w9 y; C5 L- P9 r
0 k+ _) p9 P5 ^* T9 j+ x
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。  M: B4 g/ N  R, U8 W
. }6 T- _. o" x: w
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。* t' V: \. d! D4 d8 e. P# v. @

- H5 a* q- D& P$ E  |1 e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。, f" `! M2 i( R7 h7 J5 W; x" b( x
% w9 `  r( \' V: f; A5 H

3 k/ _$ x; D0 V: r5 \, K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
5 E6 o( Z% i" @( f. V! t  s
& M6 [- e, G- O% g# x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。7 f3 D. w" q+ ^9 _
3 P6 u" I8 Q, w# U, Q3 W' _% _  T# l
  D- e7 K! h- X9 }9 F& k: ~- F- S
升力和推力分离的复合直升机,图中为空客X3& t0 o5 i- U) k5 i2 B+ `# H0 T( r
% }; q6 C0 t$ R6 t- t- w
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。' G8 u# ?7 I& k* @, D' d- Y" q9 `1 R
0 n" r$ G( {' F
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。4 P. s3 `" B) N2 d9 m. a
9 H$ e4 n& r. a
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。
- |  N* H2 O- O" S! F2 F0 y' E$ u6 K" E9 X+ p
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。1 c; X6 m6 ^; A7 i9 o

' M9 v( N- i3 a% J& u. U* X
  N/ `2 m! d- G) p  M, N幻影IIIV是典型的升力-推力布局7 z. [! f6 V) i9 r

1 R1 }. e7 V7 f" u6 z: O! u, u0 a- a8 C8 K, N, Q9 ?
米格-21PD实际上只能短距起落,做不到有意义的垂直起落6 n' F* V( l) h0 D+ b8 v) r0 y/ I
9 t# e5 q1 D* L* N# p

8 K6 p, z* c/ [2 r( }5 R“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
" A8 `: ^( ^" K; Z  ~/ N% h/ d5 {2 v  V+ h# M  I4 ~

4 ?$ h- m4 |. ]/ |% ~: e; yF-35B是升力-升力巡航布局的代表
; l1 [1 X( H9 m* @  z
/ p1 J0 \# Y2 `' I0 f7 u' B# c9 \4 }- R$ A3 B: {' p5 p8 i
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
: `# a. d& c0 T2 u2 N- M8 [- K1 D4 H  l9 c. A
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。3 {$ G, P( t# }3 d1 p5 {$ K( U

5 l3 x' j* X1 [6 w0 ]: E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。
2 p  f  ^. a. U5 q$ P
* R/ J& W  w" \1 ~' V- _% F# _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。
8 X4 ~9 ?/ h6 }0 z# e
/ M4 J+ _' z  `6 w& W4 f  a8 |+ T# k+ P! ~7 X( z8 Z) E- {
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* |( \: W) X  I
4 ?! R2 ]( b( M1 L
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。
3 E' l: x: N2 w! F) e4 s+ c
  M* x! r; p6 ~; W1 U但所有这些布局都不能避免一些共性问题:) p7 E- ]1 E! x* [6 Z, U( O- Y: P
9 B  l. e& g2 J2 b$ V
1、炽热喷流
8 i6 d, Q+ O8 }: d3 y
( ^6 I. \0 j( D5 l. x% \! L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。
  {- \3 x$ g: C! r- F& ^' W* i$ n; b: r
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。
" b, j& S3 Q9 r. t+ _# y* u5 f! ~  S% r( P% }& d
2、高温废气回吸
  w& q9 D- U& Q# J3 Y$ u( x* A+ g! P. G0 U
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。
& g7 Q: \& G5 y! L
% e- [4 h' e$ F- [' E: ^! V3、喷气在地面横向流动造成的对地吸附: T! d1 }8 G! S1 O% r
8 l3 p; s. H- R- L6 h3 L6 J) M0 i
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。
* n$ A- l2 e( ?, _2 a, _' }
$ F. l8 L- X! K+ q" U$ s5 G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。
1 u! m9 ~4 ?; y9 i
" v) A: w; P2 {  q+ r1 d# m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。  F  Q2 l! h& Z* v9 h9 i/ p
( w( I* [/ g5 f. K/ H4 V
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。
# u0 _/ M: [2 t0 _+ l; }6 o, S( u2 a9 z! D0 `" K$ f( H' s
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。”
7 E. Y$ {# q' I6 P
) F( E2 n# Q8 `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。

评分

参与人数 8爱元 +66 学识 +2 收起 理由
李根 + 8 涨姿势
住在乡下 + 6 涨姿势
tanis + 4 涨姿势
landlord + 12 涨姿势
常挨揍 + 10

查看全部评分

本帖被以下淘专辑推荐:

  • TA的每日心情

    2024-12-7 02:20
  • 签到天数: 389 天

    [LV.9]渡劫

    沙发
    发表于 2024-10-22 02:59:09 | 只看该作者
    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。
    回复 支持 反对

    使用道具 举报

    该用户从未签到

    板凳
     楼主| 发表于 2024-10-22 03:03:09 | 只看该作者
    togo 发表于 2024-10-21 12:59# m0 p- r0 S0 _: }% f, L  o: {$ }% T
    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。 ...

    ( B# R! P6 G/ z' A- S! z0 \Skyhook。对接的要求太高,实际上不可行。
    回复 支持 反对

    使用道具 举报

    该用户从未签到

    地板
    发表于 2024-10-22 10:34:41 | 只看该作者
    togo 发表于 2024-10-22 02:59
    4 d8 l. ]1 o2 Q8 Z) Y. M: n& E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。 ...
    ( A. L: l& |$ E; w; M$ [; s
    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。
    回复 支持 反对

    使用道具 举报

  • TA的每日心情
    郁闷
    半小时前
  • 签到天数: 2987 天

    [LV.Master]无

    5#
    发表于 2024-10-22 15:24:29 | 只看该作者
    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,
    回复 支持 反对

    使用道具 举报

    该用户从未签到

    6#
     楼主| 发表于 2024-10-22 15:31:22 | 只看该作者
    雷声 发表于 2024-10-21 20:340 r5 b* v; I( P5 y
    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。 ...

    ) r. A0 ~' E/ z8 q4 {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
    回复 支持 反对

    使用道具 举报

    该用户从未签到

    7#
     楼主| 发表于 2024-10-22 15:32:12 | 只看该作者
    testjhy 发表于 2024-10-22 01:24
    4 Q2 ]8 j! C; w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 ...

    % }, L& Z) Q/ T1 s6 x* Z3 B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
    回复 支持 反对

    使用道具 举报

    手机版|小黑屋|Archiver|网站错误报告|爱吱声   

    GMT+8, 2025-7-23 05:53 , Processed in 0.042712 second(s), 23 queries , Gzip On.

    Powered by Discuz! X3.2

    © 2001-2013 Comsenz Inc.

    快速回复 返回顶部 返回列表