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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
1 K, s) f0 r  V- d+ E: B) h7 f0 T' P
& Z) E  C5 c: e& y% R5 c《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。
0 A2 b, @: @, a8 g5 J* X) M) N: o3 \5 P0 P

0 a6 d0 F: ^  F4 ~《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?
. G) _0 ^- l- E+ N7 ?& n' h& S6 e' K& `
$ X; A- O2 G% Z- e0 M
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* J+ I+ I" Z: |

+ r( g- k* @- }6 ~4 Q* X$ t : _9 c8 T1 z! w- {4 y# H, Q- n# F
还有人认真地画出三维图
6 `/ d* U, B  {7 d1 D0 G/ w  v5 R( j  Z1 l$ x+ P
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。
; o7 H& h5 j6 W+ X* C4 e+ e2 n" o6 `& Q% y
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。  w" Z% I1 V& M6 X

' {9 \6 U- s" k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。
7 I2 V9 m0 G  j( m: F" _# F  x4 x3 m8 n
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。
6 {( ~$ f* A& f: D% Q1 Q
2 c9 n: a& R1 m, N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。
) g" x% K: g6 S' t9 T) Y2 r$ n7 \5 ^0 V7 T, b7 L$ \
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:
. p( I% l; [9 v) x" c4 I" i9 K+ N: p
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/ l( {( |1 f6 c. G
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2 l0 v, `1 s4 M/ z! H1 P
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# B1 f, _6 Y* T! g/ g$ S$ G
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
' M' ?- c* D- K! B- r9 K1 O! z$ g5、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& b6 c1 k- k" u9 P: k# l" b
4 v8 m! j* u1 u
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。
2 G# A' C/ m0 z5 M; g- h1 _3 a) l5 `8 i
左右平衡则像“鹞”式一样,用一对喷气的平衡臂控制。8 r/ l: C: Z* v& g3 i, g

: S8 [4 r& A) p( k$ F " l' _  j# y& m6 P5 G8 H: ?& }& \
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
6 Z. @3 x  A5 s' b4 q
+ |) H3 G: N8 Z' ]6 j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!
+ `, ]+ |3 E* `# W8 Z/ F; [5 E2 l0 ?* 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。! @/ X/ N  Q( E1 C- J6 q) h

" F8 }; j1 v% i# s
% d2 O8 x# ~3 J# _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 U+ a7 k! Y+ _: H8 K- s  ~
6 p* V% s0 v* ^/ V. w, j9 |+ W/ N 9 [; c- O7 I# X/ 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( h8 s: M) @' l1 m( C- b; _% A

% x  \$ S; z4 _# i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: T' a  p6 s5 Y# X+ |

. }3 C) Q# }; T8 P. J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。1 ?& c" I$ K: ]$ P' M0 M
; ~( g! L& Z. z) g9 \3 k
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 N  P8 }) \
% n4 ~# L2 o5 a  I

% |% U2 _% M& k8 f想象中的歼-20C将完全占用机内武器舱
6 [2 V* T7 w0 J9 _$ B( I/ e7 t, J2 z0 m& {0 [2 m

  D1 \( q1 Y! U& B$ q. K. Y1 K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
6 ^1 I: e4 S4 V. i: p0 G( N0 m6 E! m  p' c6 H$ `% z
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 b" f9 U! y) j% U1 |. {
$ i) ~7 a! |5 p3 CF-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。1 A/ K5 ^" w" K+ w" x* s- w

+ o1 E5 ]; G3 |" M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。
) T+ [9 `8 P& k5 m- A' Y) }
8 r/ _% \- X0 Y. o2 ^% t/ 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。

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参与人数 8爱元 +72 学识 +2 收起 理由
testjhy + 10
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    沙发
    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。
    3 h% |: n" M: f: \6 P/ X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2 l" N& k  m2 Y' M

    ! O( r( ^' N" R9 C8 |+ y8 j6 `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
    5 O. M5 r2 X/ Y5 E; @1 F, k1 W) ]& _1 L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 ...

    & c& J2 d/ |( F# n/ H! U  ^# t喷气发动机的调整没有那么快,大推力的惯性更大。1 ?. |6 q/ X2 k2 t3 u

    7 N0 R' R& i( k# T4 @: e$ H+ ~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。/ u- l2 v, N2 P$ v

    % |* \( N* T: ]; G5 K- I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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    发表于 2023-2-14 05:46:25 | 只看该作者
    晨枫 发表于 2023-2-14 05:28* M# C1 o" ]9 @- O4 H) T0 `, H) ]
    喷气发动机的调整没有那么快,大推力的惯性更大。
    6 G' \1 k/ K' b: [$ \, ^9 p% @0 }: Y' G' l* q* }/ \0 s
    马斯克那个做法被业界很多人骂,原因就在于这里。他现 ...

    + ]: `5 R% ^% O5 {. Q还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。$ |) f0 t5 h+ K% p
    + m, a. f; A9 e; G1 H$ F1 j6 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
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  • TA的每日心情
    开心
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    5#
    发表于 2023-2-14 05:53:27 | 只看该作者
    0 G# z4 u/ Z4 P# g1 X; [
    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。。。
    / ^1 Q0 n; ?9 ~5 a& x$ o/ {
    6 Z) S& C% |, B/ P( p
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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; W8 r; w4 {# z/ g
    还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。$ Y0 p, T! i' R1 k4 T% z

    ) S& k- i' t- O/ G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 ...

    ' i9 t; E1 a# B/ j, e8 q: Y7 Q
    # E, ^4 |5 s5 e$ m3 ]; r像这样?
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    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 06:13
    ) q! }# Z6 U6 w3 O; h: w像这样?
    / K  D5 y5 G) u& w( N
    对,就像这样的: k/ g* y, h# d8 {' q2 Q3 b
    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
    : R7 s) e- p( v; K( d& p% ^" L对,就像这样的
    . x, X% ^7 R. I不过这个看上去还是有servo控制副翼?我是打算全去掉 ...

    , s) l. o6 w8 I  E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

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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
    : j2 }4 y! P5 p* `; I( |: Q* W那在平飞的时候怎么控制横滚呢?

    & _( O5 z  Y9 k跟大疆水平旋转一样啊。- y; x1 q+ x! m& O: S/ w
    4 u9 a: h: [, W6 b, A% 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
    0 ^( q0 x' c* S9 K; K跟大疆水平旋转一样啊。
    ! P* x: \+ E5 ]* R  d- w1 h! L$ |- g4 X, a. a+ G' Y9 g$ C
    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 ...

    ) ]) j+ F- g, T. 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?
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    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* I5 @9 p" x6 `' C  e* n
    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( m# N) k8 C% z$ s, i
    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 18:091 P0 F/ z* I) L
    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 ...
    ! ~3 K, Y9 I- p' f0 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?
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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
    & z  B; k( J; `5 Q" 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? ...

    4 m) p$ l  m9 E  L4 E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
  • 签到天数: 7 天

    [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
    9 F5 g4 [, F" r: W5 J嗯,试试吧。感觉重量应该不是问题,两边是对称的

    ) M" l5 K; ^; h& {3 e/ Q9 ^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 19:363 B: r4 G0 h3 m& l+ _8 Q& ^
    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 ...
    1 d( C8 Z3 I2 e2 M0 l4 k4 V! H
    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 09:398 t3 E" j" @& K) Y. 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。 ...

    0 B6 b2 f  }1 `3 a' u8 Z+ \这个倒是可能是个问题
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