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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/ n) h& M5 F% _+ K0 `: I& u# y
# p- ?( V& q# l
《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。
* }; M  V& }- ^6 w5 O+ C
8 n! ~' d) I9 g) s. B2 E7 m2 r8 R # s- [) e, F1 a2 j0 O4 y  [  z+ 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?( ]+ ^$ d* d, o* h

- M- z: l* L2 N! `. t* a6 k + n. M) G; K5 j( M+ e. o
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
$ d( o1 {8 g6 ]! K; j+ z7 W( W( Y# w3 n; F# t! _* v/ Z- {

7 \: u8 U% g  y4 o: R/ D还有人认真地画出三维图, F, P; E9 ?# H3 W; `7 U/ K. q# I& `

# u' k% r; s7 a$ X# I, {' |! W; O: X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。2 ~. @; i5 I6 i% S

+ y6 y) f1 O/ _! K( a0 ^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。
9 e9 U+ j9 F" E# a( a5 \- o9 H! ]3 j3 _1 w
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。
, o6 V& @5 l0 B# c+ S% @7 \/ }- J2 h7 [* x# x% ~2 S$ k: `4 ^* K; Y: Y( 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。
' \# V* p2 m3 e2 Q& m4 r7 Q( \0 ^( s2 C, x0 r8 I( n% D$ Z4 I4 ]
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。
; B0 L' v0 {, \& C% a1 Y" i' L$ d( i$ S8 t, v
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:
  H9 c1 F- l% {+ w' U3 T! p$ ~4 x
/ i* B8 |- P& Y7 h1、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
# g  j- I1 x! M5 x' y2、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 r5 ?/ A* h5 U- o3、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
/ ]0 t7 L$ L* A4、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
$ F' z# z- H0 L: s: y1 T7 d5、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
3 b; i1 W7 n) \) j+ g* u6 o
: ?( q4 k# |8 ^2 v9 F% z& Y% tF-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。
+ \6 K( o. h- t) @5 S8 w% z, W2 V6 p& ~( @% A1 }+ y
左右平衡则像“鹞”式一样,用一对喷气的平衡臂控制。2 C" H5 q/ O% |# c* J9 Y: ?
/ ?, J, P! t, f
9 C9 D0 ~$ }2 i( u: h9 Q
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1 w4 ~* K5 z9 ]) \7 [; q3 y# O7 ^/ x

- p9 D1 Q0 ~* [& l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!
: N2 e% T1 g; p. R( \3 w
% P* m# f& }. W$ _7 D2 S/ D  U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。% D+ Z, k6 `" ]3 f; r; a. [

2 F; V8 Z8 f  ]+ p+ J 8 S( d, ]7 r% D/ `, H* R( l  u' X
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' J- f  A3 a7 Z! f+ Z  F

$ Q/ w- O3 R9 E3 B . H  g( I/ j. ?- `: {% G! V/ X' `
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0 g9 f; X6 O, V" b( E. v  W5 `

0 v2 j- t3 C' C5 w: [, q7 \' o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。
( A$ s! f$ w; w! Z7 j/ `
/ P2 y$ k- `1 n! p7 Q  K  b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。
. ?8 z1 V) q9 D0 i( Z" r; X- D, d% X6 d9 [
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。
/ A7 o( O( J% g" Q. N+ k
1 {# W! m8 H! B2 k1 m8 E
' d) T4 O5 w! ~6 C想象中的歼-20C将完全占用机内武器舱! T! W/ N' w8 R; F* `
% y. x' j7 G6 R/ ~

1 n2 u/ d9 U% }, |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
+ b* m" j7 S& ]
* G$ Q0 Q; b, R6 C7 R4 m7 B/ N; {2 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 G) Y# B* t. Y1 J% A) o

) n8 a% {0 ?- A& b0 ?6 P) J$ dF-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。
. ?# Q. e! ^$ a6 [1 _4 u) j1 ]" T) S$ N+ F6 ?% _( P+ N
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。0 ]( D2 M! |8 V6 b& O! F+ w

; @% U8 }+ ?1 }; W, Y8 b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
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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。
    * h7 f  X7 L. o/ j1 |7 q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 G& M( U7 m* e
      s1 r% Z& D1 R7 I, O7 l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
    : [( o- q5 t% \2 B7 U1 G& f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 ...

    ' ~$ x- v! E' M* E0 Q2 O% W  M喷气发动机的调整没有那么快,大推力的惯性更大。- t4 w8 ?0 }- Y3 O5 b" t

    ! J; }, M( \' x/ O9 l( G  e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。
    ) k7 M: W6 g* |$ `6 i) S9 T& d" T$ M) \& b  }# D! {
    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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  • TA的每日心情
    奋斗
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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
      h8 f+ h/ T7 Z喷气发动机的调整没有那么快,大推力的惯性更大。
    * L# P  ~$ |7 ]. }. }7 u+ A2 C! ~( l' H" G- }3 B/ F
    马斯克那个做法被业界很多人骂,原因就在于这里。他现 ...

    ( \! @5 A+ D8 L2 t- J0 b还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。9 Y9 o! d+ q# i
    - U% }: B, S( q) E3 t' \- }1 |
    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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    [LV.1]炼气

    5#
    发表于 2023-2-14 05:53:27 | 只看该作者
    , l9 h0 A" @1 I& }/ f1 ~8 L
    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。。。4 a+ Q& h5 x1 J8 `- Z" P

    . z3 e- F8 N; @/ U! n( M
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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
    & d3 e7 p( k7 s- K/ P还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。8 z# d# b6 c( p6 t
    - X" X. q. T: j5 \9 R( P! z
    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 ...

    , |6 j) k6 A$ l3 j3 H) y4 K/ z/ \: n; t3 A
    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( [0 K- o- {& ]
    像这样?

    8 t: d+ D# y+ n+ f) J对,就像这样的% K" }% N" h) n3 Z+ s  h
    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
    / W6 @2 s+ e/ z8 M  N; J对,就像这样的: {/ s5 {$ @9 C- s; k# v
    不过这个看上去还是有servo控制副翼?我是打算全去掉 ...

    # n/ I4 o( e0 x: m/ ^# 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

    [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- O+ L3 c6 n& G4 `9 @
    那在平飞的时候怎么控制横滚呢?
    8 y: V! {* i& h' w
    跟大疆水平旋转一样啊。
    $ P$ r  [1 M8 J
    % A# j0 m% \7 l: l) a+ p( f' ?4 x9 O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
    - O1 B+ R7 f8 }跟大疆水平旋转一样啊。* ]  E- \% U4 P: K1 T

    3 T- d3 Y1 i- O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 ...

    0 a# Y1 d" }. Y7 t& G4 Q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
    + c" ^: v8 |5 l0 L; s  L' d. s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 ...
    - N" ]: L7 v# y- w- y  p
    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. M, Z; r& Z; w
    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 ...

    & Q) B  ~" Z& 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?
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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 08:335 M& q" Q( {: S! g5 F. _
    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? ...
    , e& L! q- I4 p8 a* s
    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 18:424 e/ `2 \5 O, s
    嗯,试试吧。感觉重量应该不是问题,两边是对称的
    * E1 K4 r3 _6 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。
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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
    2 Q5 U3 e% m8 |/ o4 e: r- I6 K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 ...
    7 o+ x0 a( ^6 ?6 c" m3 x
    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 09:391 h7 n" J& P/ r/ s/ Q: I1 |
    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。 ...

    - l+ Q; Y0 w/ q# p$ C0 }" h这个倒是可能是个问题
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