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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 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 晨枫 于 2023-2-13 14:18 编辑 8 M* V+ Q5 w* I, ~

7 G' P7 r9 m7 V6 s4 V1 n/ Q+ X《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。- K) O( N+ S1 B# }+ W1 B1 W
, I+ y4 c: S$ n3 A# w$ p! {- a* K
1a.jpg 2 B" T: Q: m) X% _; s6 W" a; g$ }
《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?
/ O2 J4 |3 |- P& [. @+ r
2 `- Q; _) l6 @7 s0 y( w 2.jpg
* I0 V# c( y; g8 e: G+ e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
$ @: @0 x5 i+ L2 u. g
( |. V- p* A5 g# H 3.jpeg ) d3 T$ j  Q. j. F7 `) m$ H
还有人认真地画出三维图, A: A$ [3 |- F9 v
% Q' B, p  v9 M: Q9 Q8 t$ 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。+ G6 ?; }0 k3 J5 w8 S7 V

4 z5 x/ h8 E7 H% y% F9 m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。( u1 o/ }$ q, N% D6 t* r2 A

  m" j$ P3 M/ |3 D( t6 C$ B" r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。
/ N6 ~: m. K4 w, V3 w: n% F* x( ~# j9 E' d3 I8 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 t" U  `0 C( Q; o# e" g/ F) Q: g/ X
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。" c% N) \. t5 S3 }
2 A& A7 l5 G$ m- U+ K
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:
- d% E! }. c7 s1 h5 y+ ?8 L/ k% r4 H4 p, C8 ~& d
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* B+ h  H" D8 `9 X
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
# R3 n( y! e2 R+ p/ u5 u: C3、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# _; y- T) O6 q
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
4 A+ ~! U+ }3 I: m. K5、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
; J* U2 ]; G  r
1 w  h' x8 A+ f) B5 d0 Y$ x- GF-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。
7 L$ d* v3 L7 w1 O6 e" Y+ v" U+ w7 B% M8 W2 j) p0 [) x' t
左右平衡则像“鹞”式一样,用一对喷气的平衡臂控制。( p1 B, u! k0 i! z3 V  n% T

# o7 R, t& F3 X4 k( u! n& X, R3 j 6.jpg
+ c% \) w) h% Q) u: P* A2 k1 N% cF-35B作为最先进的垂直-短距起落战斗机,很自然地成为参照
, f+ b1 M1 ^4 G  p
: t4 e! n3 H( K0 {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!
) R8 G8 ?" i$ D- x' v" r( W; u+ h* \' @0 i
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。- L! `# u5 k1 {- f; w+ O
) B7 b* W- R! P
7.jpg   C& g1 J# q6 I' z
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
8 O! k5 e! H. ~* f% {3 g, T7 U) a- C2 v9 i$ {* Y
8.jpg + j( l5 R" I  A. i% B; U
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, I7 a: G/ c9 m8 R! G; I
9 @& l' g% g2 Z1 ?2 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。
* ^4 a( ^; V; j/ z
/ n) a) P' b* A2 j8 V5 I% S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 J! ]1 V# E6 j
$ K% g: {) C# M/ u. z8 t: 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。
- H) R2 D- ]! B- i' h# l
. c7 A9 F* F$ F0 [- u 4.jpg - F& e7 E( [, c3 t
想象中的歼-20C将完全占用机内武器舱4 G8 V- ]! t; u

7 \$ C& p# e( G1 y, Y$ ? 5.jpg * ^- o0 M" X0 S- W" E) N0 `
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
) U7 `" d. `" ~4 T: D+ e+ t% y
# F  \+ q+ K! t- @& S) x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。
) i3 H- ^- B- j  u
1 V( H4 l9 v" yF-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 ^% K9 Z" s8 v# b$ k8 c! A8 w2 ]( }

( D/ M- U0 x& d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$ J6 [  {1 V! c5 ~
/ O8 X/ B  S: M0 x$ S* 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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    发表于 2023-2-14 04:36:51 | 显示全部楼层
    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。
    & v& J3 C# f& L$ Z  l& Y; E5 S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
    1 k  g7 A% l( v5 k: S, P1 Q4 W0 ]" r1 s7 J4 W
    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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     楼主| 发表于 2023-2-14 05:28:31 | 显示全部楼层
    机器猫 发表于 2023-2-13 14:36' ?, d$ F5 t9 y- g
    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 ...
    6 \7 c4 p- z( @2 p8 w% g
    喷气发动机的调整没有那么快,大推力的惯性更大。
    + Q/ T. [/ k+ ]! O/ J; [' X0 o! h- a; M$ j
    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& T' ]% r' a& O3 R
    * [( L! F1 d, O  v0 k/ L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
    ) X: U3 b1 G) J$ u# L, z  Y' k# w# `喷气发动机的调整没有那么快,大推力的惯性更大。5 i0 F  r2 s% B# R
    3 U- x7 z/ ]: d  [) v
    马斯克那个做法被业界很多人骂,原因就在于这里。他现 ...
      a2 k. }; e/ \+ j1 v
    还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。: G  Z% I7 r$ D6 |0 J# X

    / b8 i1 Q; h  ?' F* j+ P, w' X' o; q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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    发表于 2023-2-14 05:53:27 | 显示全部楼层

    $ |- ^, S  d7 _! D( c& J8 i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。。。
    2 z5 q$ e5 ]8 A; X! m: i& ]0 w1 w8 ~, J6 ^* b8 s" m( Z+ U
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     楼主| 发表于 2023-2-14 06:13:35 | 显示全部楼层
    机器猫 发表于 2023-2-13 15:46% Q4 a6 d: h; S) B
    还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。% P* M4 {) Y% Z$ V+ n9 x$ T

    3 A1 z4 i8 \* M5 A: D( Q# T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 n% h; J* Z. y* p& U2 j/ R/ }+ j

    + M" ~. \+ q' ?: p像这样?
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    发表于 2023-2-14 06:19:51 | 显示全部楼层
    晨枫 发表于 2023-2-14 06:13% A# k- H- \0 l# Z. M# R
    像这样?

    & l, f& y( G% R; Z对,就像这样的! V& ?" n& h' X- B# n7 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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     楼主| 发表于 2023-2-14 06:51:40 | 显示全部楼层
    机器猫 发表于 2023-2-13 16:196 b7 _( L3 \" Q, h
    对,就像这样的6 F1 B& c; X/ F3 @  U; N% p
    不过这个看上去还是有servo控制副翼?我是打算全去掉 ...
    $ k3 C: b5 J/ R/ I5 @" 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
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    发表于 2023-2-14 06:58:06 | 显示全部楼层
    晨枫 发表于 2023-2-14 06:517 Y4 V8 q' m$ g: L( g; w
    那在平飞的时候怎么控制横滚呢?

    9 p2 P# T- G$ a. P& a跟大疆水平旋转一样啊。
    ' x7 x9 ]3 }8 k& R
    6 a8 ^, v9 |" A, Z& f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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     楼主| 发表于 2023-2-14 07:08:53 | 显示全部楼层
    机器猫 发表于 2023-2-13 16:58& a# P  s* U# @
    跟大疆水平旋转一样啊。
    2 ?% [! L: `6 A0 R" E0 t1 G9 i+ [6 |! ^% v3 w0 [4 }; F. o* 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 ...
    6 _/ ]: R. G3 [, V7 B
    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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    发表于 2023-2-14 08:09:46 | 显示全部楼层
    晨枫 发表于 2023-2-14 07:08
    5 ?6 `' Y" W7 F/ r2 t" F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 ...

    1 R) T; n/ V: i3 y$ M0 U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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     楼主| 发表于 2023-2-14 08:33:34 | 显示全部楼层
    机器猫 发表于 2023-2-13 18:09
    / S9 o; e+ D* l6 |: W$ Y3 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 ...

    " a' c7 D: c# \0 o3 V$ B# _# E1 Q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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    发表于 2023-2-14 08:42:17 | 显示全部楼层
    晨枫 发表于 2023-2-14 08:33
    " y' _! I* [" N" D1 I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? ...
    " V, @" `( b+ _9 m/ \0 q
    嗯,试试吧。感觉重量应该不是问题,两边是对称的
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    开心
    2018-10-1 00:00
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    [LV.3]辟谷

    发表于 2023-2-14 09:36:15 | 显示全部楼层
    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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     楼主| 发表于 2023-2-14 09:39:20 | 显示全部楼层
    机器猫 发表于 2023-2-13 18:42
    $ L/ M* P0 F- v! L( c; p( [4 ^! L# N嗯,试试吧。感觉重量应该不是问题,两边是对称的

    ; e) @# Y6 V- y/ J# Y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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     楼主| 发表于 2023-2-14 09:40:10 | 显示全部楼层
    r52097 发表于 2023-2-13 19:36( r# }1 c% p& {! J9 S4 t! e
    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 N! z, i0 F7 }# [+ r  U- z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
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    [LV.1]炼气

    发表于 2023-2-15 01:18:55 | 显示全部楼层
    晨枫 发表于 2023-2-14 09:39! a# h7 x1 ]* k8 F- h8 b( n
    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 o' u- W' o- R
    这个倒是可能是个问题
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