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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
7 b( h4 a0 w* l+ w0 U( ]; i6 ?
$ m- G2 h& [2 w9 I, ^《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。4 }4 f6 W6 M5 m1 ^' t. I* F3 j

9 u, ~4 J  C5 V4 M5 F
( r: w. C' u8 a3 `' 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?
; q* z$ Q" f1 k& N1 p( Z# v7 u" r# j7 I% s
  K4 P9 P' J( {, [  k* I0 L6 \/ N& w
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
' q4 h6 i# T/ V0 \  [5 z$ A, x9 I4 Z2 ~1 I( u; s
7 i- K* u8 Q; X  h: Y" s) J  i
还有人认真地画出三维图
, J' l8 ?3 c8 E' W+ [( v% g# x" J2 X7 Y* Y9 s; Q. [4 \
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。6 l3 n8 V; ^  C& F/ J$ D
# C8 n$ X4 A! f$ V5 N7 A
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。
1 s) S" `" B6 p3 ?5 h4 }0 [/ w% o$ r/ N! v# i
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。
/ g/ _) X0 P- s/ Q) |7 F) W# W* y4 S  V9 D0 g0 k$ Z1 a, {
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。
. E9 r# P- O& t* e) W
3 Q$ M0 M7 u4 c. e1 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。. Q, W# H: ]2 b& t+ L5 N% @/ N

! [9 Z% X1 z5 x4 e$ O2 [- [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:
3 D$ J/ H4 ~( G: c* n( j! T: K" H( ^- R1 H# E
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: d0 y4 Y. C$ ~& q4 Q
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
- A! z( w5 r, Y3、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$ |$ m7 ~3 r' c( s9 h
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
% }3 O+ i% k8 A) u2 w% j- o6 o5、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 U7 B1 P( @/ T  r7 E4 G/ p
, |$ D9 K* d" f3 ]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。
8 u5 n' Z8 d4 p. D; o3 f& z' _1 m* a' n# u$ \
左右平衡则像“鹞”式一样,用一对喷气的平衡臂控制。
& |6 W! Z1 ]) i+ D" ~2 ^: h- `  e

2 b- G) J, X" ZF-35B作为最先进的垂直-短距起落战斗机,很自然地成为参照
' I3 a4 A: z; T, C6 Q1 l  }* F' V. R* A3 w" ]
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!
+ Z! i! j2 q8 [9 R# N* P# p$ X
  E3 |& }- g2 f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' x4 `: Q4 ?3 z* B: x

3 \! z* j$ \: C, w. W; F+ | 7 g+ M0 X. _) a' E) k- a' q
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5 N: r2 P- g& [4 l

& |/ P; h. `& E. X, J5 r # \, H  P: Z5 j9 O9 L& R
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
+ b+ U9 G  ^. @& ]0 l" e) o. @8 r: P- n
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。6 d; B8 u" s$ B+ t$ b

! G: G' b7 h. j/ e8 T/ O8 o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。0 e9 W5 {" u, E- h' `1 b/ O
. O/ w. D2 r; J
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。% }& e) M! {% @" U5 C

- w. Q+ y5 q, g8 m) g! L/ Y( q( i
+ S% Z1 S  r! t7 S" e: r) f想象中的歼-20C将完全占用机内武器舱: _1 O, z  P% d" Z- T
' \% I4 c0 [% M- p( ?

/ I$ F9 m  R% Z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; d" G# l: J: s+ o

; L5 L% c9 i8 Y" P( ]! K$ E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 c& D: d- o( [: J# M" D( g7 c8 B$ q
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。
7 _5 `# `# P3 v# b- I
9 L" x# B' R2 O# J, z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。
$ q" i9 i5 ]( N0 k( ]7 k, H3 \
+ D  l2 {: g0 Z0 C, M. J, L9 L0 ]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。
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    . D, f1 ^% h3 x! @* N; {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) u8 V* \9 w% s$ g4 r' Y7 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 ...
    % {: }( ]9 V' b9 F. N
    喷气发动机的调整没有那么快,大推力的惯性更大。
    * U# d$ u: _. M4 g& C5 J! ?* K2 ?; z& t+ n
    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。
    * H5 z, z9 _! d
    : U2 K- ]/ i1 U5 J# |, o4 V0 [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 05:28/ L! E1 V4 f  a' T3 q2 W* ?
    喷气发动机的调整没有那么快,大推力的惯性更大。! P+ |- j& l6 o. m" [3 ]5 X. _

    : g$ X  k' h$ b马斯克那个做法被业界很多人骂,原因就在于这里。他现 ...
    ! ^% m4 E0 C( `$ H# k7 C* A- ]: m  D5 x
    还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。, ~: g1 Q: P$ R  f! R) \$ u8 J
    ( u* k$ U# ?2 p
    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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    5#
    发表于 2023-2-14 05:53:27 | 只看该作者
    % }- z# p& k% D8 _4 h" E9 e6 P8 j
    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。。。) q6 O) a( `* |$ z! h* `
    2 G. P: N3 _, L. `6 p) T
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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
    + e2 C$ ]( o" m1 P' k7 h% J2 p还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。
    & S+ u$ C* }& l- p+ _4 u* N9 S
    6 n  S4 j1 @9 \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 ...

    $ |  _! Y; ~7 [2 f
    & @* o4 z* ~  ?3 j( B7 j5 x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 06:130 g. f, n- A/ ?
    像这样?
    # W# Z* e# ~& y, V: O' C# k  h0 H
    对,就像这样的
    : ~4 m( @2 c+ z" Z) h2 w3 o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 16:195 c  p$ m2 u" T- G4 a: j
    对,就像这样的& f; W* ~8 g" R1 q
    不过这个看上去还是有servo控制副翼?我是打算全去掉 ...
    . u+ A2 l0 n6 Z0 K. R& E
    那在平飞的时候怎么控制横滚呢?
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    奋斗
    2020-2-8 10:08
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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
    9 o9 J6 m3 Z! H  I/ Z# T那在平飞的时候怎么控制横滚呢?
    4 F/ Z9 ^% M$ }# R) B$ f
    跟大疆水平旋转一样啊。' ?6 P- a7 D, o" w0 f( i
    - c' W9 C. n$ g) [. A# D+ |
    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
    8 y/ I# S8 C  c7 o$ ~跟大疆水平旋转一样啊。
    8 ^: Z( r0 U7 G% s/ q4 D2 T
    0 {0 W' S# B3 v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 ...
    % D) j. D  Y6 i- l
    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, m6 J9 W8 m' K' A' J9 b8 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 ...
    - v3 O6 U' i* f* H8 X% E
    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% T6 e) V: _! S* Q% c
    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 ...
    ' V: F& l$ ?  p* h" }& d- U
    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
    3 _: y" T; ~+ 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? ...

    7 u* ?$ k4 `! _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% f3 l6 w, q4 J
    嗯,试试吧。感觉重量应该不是问题,两边是对称的
    ( v7 J  {/ P; a' r' A9 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。
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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 F9 d. b  x# j, |9 A$ R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 ...

    0 w" F8 U( ]+ f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! I2 i6 ]2 O! F' 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。 ...

    2 H3 k; t! ~, y# s- Y) L/ f这个倒是可能是个问题
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