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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
$ W9 k; g& O/ w; g; ^% ?% l$ f6 n0 S# M+ I; ^2 ^
《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。
, h7 P" w! j6 R
( b' W4 B0 Y2 n+ c* E + O( [$ O1 K9 }% 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?
6 u/ o% c, s9 }2 X
8 O; K( e2 S4 F
" W8 F3 n) a  H# l2 |0 X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
7 `* ?% V+ I; P0 Q, |
6 z3 m& W& @- o+ ~6 F
; u1 y+ \" f6 a- T8 Z$ }还有人认真地画出三维图
/ i$ A, I! c$ }8 {& `. s
  g# D8 D9 p% e! a- n. x+ u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。9 T  t5 d' N3 t! C# T6 N
% j' f; b, }2 [9 W/ 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。: R: E* x/ V' K

0 K( A3 E7 l8 |# v2 o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。' I* H2 t9 b, v" P/ W
2 [! v0 V7 ~3 \2 z
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。2 f4 @( t4 `  T/ }! |

* y+ a5 D! X- Y$ g* I, I" a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。* l* O* _1 c8 y0 n3 ]

+ `; B8 G, z2 S+ t4 s. H( ~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:
; N7 [- f% @& F6 h' _% o$ u/ k2 z
% v& N) l& V: J( ]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
: f( D8 f) E9 u- z2、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5 S( g; J6 J: A0 K: V) R2 H! }" U* F& [
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- j2 T2 M/ h; j4 Y1 V8 [
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
5 x# K9 n6 j' F/ j% Z" w+ |8 h5、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& n6 P6 P8 w3 ?
: E$ S2 _+ T8 i/ S; O& X
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。
" J6 N* p: S1 n' _
& R# y/ J2 L& S5 K) }9 g' A左右平衡则像“鹞”式一样,用一对喷气的平衡臂控制。
" F" J$ Q) G! G% X* P# t& S7 \" T. Y& ~: |$ A

& \# d/ I3 T" EF-35B作为最先进的垂直-短距起落战斗机,很自然地成为参照  s1 e4 K6 l& B
8 x" J( q9 {0 J0 O
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!
% C7 Y  [. T$ ^9 j1 @
, M  J/ u( E/ Q* v6 d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。
& m7 S( U- E  v0 Q
2 H: Y- r4 H% A) K+ E- b 7 d3 E1 k9 Q* d: ~) v
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1 A7 X6 H( O$ ~2 y6 W  L

& G, F% z  T' n: h! b# H7 G
7 P5 v9 r, Q5 v' |+ }- F# h9 S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
, K7 q6 b) `& T; q5 c4 |6 C6 s5 t: d) y" U$ 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。
. |* ], u. N, h% |+ w' T( @
, x: @# F  L3 Z% t- {' L  ^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。
. Q. y; t$ m9 ?) P) Y  i4 P1 P+ q7 z/ z, G
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。! @8 T' {6 t/ \) h
! M: V  w! ]! q. G
; O+ \9 ^6 [' s
想象中的歼-20C将完全占用机内武器舱/ x' z0 f2 H( p; j% r7 f

, o( R5 m) j; X5 x2 b4 m& U+ k2 z 3 Z; l. N0 E% z% p
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
  Z* u! \8 V1 M" q" k& \
1 n) x8 K! c; `9 Y! n* |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。9 x1 o7 @7 ^2 v4 r* c1 G
+ x5 S( A7 m0 }" d& @
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。
) C& j3 x# S4 W$ c2 u9 X" M+ l/ t
- A4 b3 _  r% a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。( D- m+ r3 r9 ^/ e5 T* I9 V
. r- o6 ~/ O% A8 ?7 s
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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    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。) D% k  `3 z! w& Q$ 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
    ! P, m- w6 R4 f0 n2 K. |# j4 r+ D* W2 Z' X' Z/ d
    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
    & U4 v8 m. g* c' X4 t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 ...

    % V, |* E/ Y; q4 ?, B喷气发动机的调整没有那么快,大推力的惯性更大。$ Y0 s. e) A' S$ z' ?5 O  X

    " g" X. e4 p5 X: \3 C/ ?- ]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。* K$ h3 U3 L% h! V' T- v$ s0 d' w
    + e* n( e- Z* Q( r
    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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    地板
    发表于 2023-2-14 05:46:25 | 只看该作者
    晨枫 发表于 2023-2-14 05:28
    - ]) V4 l2 D1 J5 S喷气发动机的调整没有那么快,大推力的惯性更大。6 ^& g$ x% |8 _& h0 \1 [, f* l

    : O" A# z4 x9 U7 P9 f; a4 M马斯克那个做法被业界很多人骂,原因就在于这里。他现 ...
    ( P8 z$ i$ Z  T5 W
    还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。: ~$ s( C8 m$ {+ M2 v

    ! m6 c$ r" X, l( q/ q' I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

    # ~5 o* i2 }; M$ Y4 d8 ]- j4 c; c* K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。。。$ Z' N" P$ G, ^/ y: a5 H2 V) V

    1 y! `5 E1 b* q. r! y$ {1 \) 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+ |/ F0 m6 H3 D. \2 a. \) N
    还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。
    8 v% `9 S3 h! k" S: {
    9 O; P) `2 H8 @; F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 ...

    8 ]6 D* B# k4 x2 B
    9 L0 o' J3 |5 r1 [/ @2 P8 c1 d8 B; I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 06:13
    # d( _1 h, s; Z  h像这样?
    ' L/ B  Z5 W( V% u0 A' `1 ^4 g
    对,就像这样的
    : [5 \+ W3 i; z# u& l* K) r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 16:199 z4 E" s" z, [+ F4 H4 Q
    对,就像这样的% f/ |$ ^3 W5 t: U4 `' F
    不过这个看上去还是有servo控制副翼?我是打算全去掉 ...

    ) O8 B5 X0 E  m( C% ^) w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
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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
    ) [1 G. k$ }0 s+ ^7 |" c, I; u那在平飞的时候怎么控制横滚呢?
    % w% O, {  r% E5 e
    跟大疆水平旋转一样啊。
    # Z7 u7 m! X5 h9 W: I; f8 ~# o: B) i
    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
    : C! r5 m0 E# D2 C! q2 H3 ^跟大疆水平旋转一样啊。5 x$ Z& V' K% k0 U# B( F% O4 ?
    ' k% c' m- S- E2 S' |$ Q
    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 ...
    & X" Q3 O8 b( z9 F- n0 `, |
    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
      ?2 z: Y4 G2 X; F, _! X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 ...
    8 F9 R, `; b/ P4 w# b
    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
    1 }  r. S6 x0 b& A" p- j. O. k* 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. {& @+ B8 [5 l0 c3 ~, ]
    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: M: [/ T7 p; P9 {3 W- a% W
    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? ...
    $ Y. m2 Z/ K8 ~: X
    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
    & j" G" ]- m+ D9 t1 J$ N9 T嗯,试试吧。感觉重量应该不是问题,两边是对称的
    $ L( S" c3 J; o6 ~- m
    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; J2 w; U" }1 A2 {% S
    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 ...
    % Y1 {" c) q, u4 w& U( |
    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
    0 W$ Z, u8 @# \4 \  B* ^, g4 U3 l8 A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。 ...
    # G6 v# H+ W& b8 ~: e  p+ b3 D& d
    这个倒是可能是个问题
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