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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
, F- n4 R& K6 e' b+ K
5 h) |) h6 t$ W1 h, I+ r《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。# S) S' G) D6 M! p

2 h. _, e0 }( g! v) V3 E& \ " n5 [. x; H' e7 |: W  z+ r* p6 ?
《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?
7 ], h; M& a' L% i' ^: f
' u9 {+ t8 \% q( W$ Y5 ], B
$ q  A8 s0 t% N: i3 c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
) A8 O0 H1 M2 N. ~
2 C7 b5 x  Z, e  C# a) X
2 q' e0 l+ u3 z3 J还有人认真地画出三维图
8 z* t8 x7 J1 h1 ^: N5 \4 L+ |
9 Q! e/ ]! d. \. Y7 C! T" B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。
3 p! w* F# V8 Z; c- j! L# e4 ^5 ~& C9 h1 J2 `0 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。
' {, y4 h! Y# |& _% L4 O
1 x0 g8 H- @" k7 o; @& r8 k) n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。
8 t9 C5 ^0 b. a( l: Y1 p8 q. c' ]7 @5 g
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。
; m; z/ O7 v1 l& Q, s: p& T; _, \( e
/ f# `2 P7 A$ X  G# x6 m" c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。
% @$ a4 _! W' f$ ^
0 ?* O% v  X7 s  A) N# a9 X* x3 F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:: u6 v3 ~; r0 B# B/ n7 B4 F4 x6 L3 a  z
% g0 ~% \9 G; l
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
- p# I- @0 q( |1 H0 }9 D2 O2、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
; A3 I4 A# q7 k! \' n3、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
7 Z+ Z: x5 s5 k8 W& b$ w: }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
( Y" K% u) O- ~  I! O1 Y5、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
7 _% `- L' \# }& e; J1 \- `3 Z& d+ _3 v) _( e  \4 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。9 {5 ^8 j6 a% v6 o9 E- z, @# ~7 S
7 |1 I) t; l+ D  A# e' F' Z# G. [4 }
左右平衡则像“鹞”式一样,用一对喷气的平衡臂控制。
3 m1 \3 V, _) l+ G) v' O
' x6 Z! D1 H! w( X
1 M2 R. f. t- e& ?! 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
4 P6 u2 j6 n( q; h7 x, F$ R
6 r8 U9 }# _! y' E# p! F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!. f- B+ L) A- @* s" h) i
8 B7 ?& G7 }! v9 z( G5 ~4 H+ e8 L6 o
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。4 ^( Q( i+ r6 ~3 {1 x# }0 Q
% R" H1 K5 {( u& J# x5 ^' b
7 j/ m7 L$ Y. r' c5 k  X0 `
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2 [/ N5 G+ ?/ X. ?) T% U

1 W$ r* [' N/ J: z ; [+ |/ Y5 w6 B" o. W
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
* O( x0 a- p8 M& ^4 R7 m( i% e$ \6 W  q- Q
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 l& m0 D# L/ q* y5 q3 J
4 e* T: f' e8 \, z/ n; ~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。
5 A" r7 c# a$ v( a, w; \2 h- {& d! i& Y( u9 ?5 H
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。( Z. F3 ~1 m' t% R( a
! N4 [" X, j: w! T
# @' \" P$ V4 P& z* }1 X" }* B2 j. `9 N
想象中的歼-20C将完全占用机内武器舱
9 b2 s# z8 L- @
, h$ F! v$ j% _( `. z
  I2 M  ^+ x; d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. m, a! z5 H# A8 R- k

: {# [1 Z) c1 y: y- x0 V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。
$ Z6 M2 Y' a/ H
2 q8 g/ @+ x. aF-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。* ?+ `" _, N% i. X' C& O: a

3 `. w3 L+ Y: D; q+ [1 K8 {) |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。: O/ U/ E7 {: S1 o% Z+ s" J

' h0 N6 W) K3 x% A$ ?1 L/ T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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    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。
    , i9 j6 y. F! J, w4 d5 J& G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
    9 ^" g0 q* ]0 j( A5 P* P' }* X4 u% y2 V9 ?; ~
    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
    8 s/ {6 s) x- R1 m4 D4 H; A5 \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 ...
    4 ~, w5 L% I  y7 c8 n
    喷气发动机的调整没有那么快,大推力的惯性更大。
    ; G1 h, Y" ~$ G5 E
    0 ~, `; Y1 e# z! Y/ s- b( r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。
    + n" W  Z3 g( [
    1 ~$ q* O% i1 X* E& v1 H7 ^3 N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
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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 05:289 x' O% ?, F9 j' V9 Q5 \
    喷气发动机的调整没有那么快,大推力的惯性更大。
    . B* q) T0 p" v2 J, d$ m8 @6 \
    ( m0 Y4 b' J4 y马斯克那个做法被业界很多人骂,原因就在于这里。他现 ...

    * w* y9 @, T$ a9 k5 p$ q. O还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。+ a7 L5 u7 k, @& ^" v, w

    " c  u/ Q1 R2 o" H6 q* c% n: S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

    # v: \) F6 P, s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。。。
    % I6 f2 _8 Z1 e9 E; C
    0 S% {- H0 L' F- z4 N
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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 15:461 u% r4 M* F2 s
    还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。4 r# t9 f0 v0 k- q1 ~5 Y; ]
    7 b5 C  r/ O1 O: g# p0 C$ q/ V
    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 ...

    ; X; p  s7 \) ~3 j9 q, S* j4 }3 F# o: O: j$ r
    像这样?
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  • TA的每日心情
    奋斗
    2020-2-8 10:08
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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
    5 Z$ b4 O- o7 A1 }像这样?
    + E! b9 h# i* E4 p5 u; e
    对,就像这样的, K- Y2 V2 W1 a2 t. 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 16:19
    3 I+ H) i+ T( E4 r5 }9 l对,就像这样的
    / X5 `4 |8 T2 z* _; F" l不过这个看上去还是有servo控制副翼?我是打算全去掉 ...

    0 x0 L2 L2 m- i1 f% }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
    8 A2 _- s1 ^8 \5 [2 v& g# y那在平飞的时候怎么控制横滚呢?
    8 y( {  G7 B0 s0 W. U) w! `
    跟大疆水平旋转一样啊。
    $ b, C1 S, d! o; _! R: n& F! Z6 s( k8 [
    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
    & n$ ?- x  _. I( k5 s- r- ^! _跟大疆水平旋转一样啊。
    8 d! F! c: g; u/ M7 c& i5 u' l/ U5 t. |
    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 t4 A6 F0 j# x3 }& g& u! K8 O/ @
    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 07:086 G, Q0 }9 R* O- k
    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 ...

    + \% F* E+ G! `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
    2 W/ H' y6 v8 t7 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 ...
    : J  K+ n5 v. ^: D
    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
    ( x! B! Z* F1 o- \: r  m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? ...

    , _( K+ f4 I) n1 \- R' Z; l! Q4 N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 18:429 v' ^1 k6 y7 o6 @3 a& A& a
    嗯,试试吧。感觉重量应该不是问题,两边是对称的

    - {: C. \- I2 X: J6 i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 ^0 y( q1 J; C; m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 ...
    / L- ?4 {+ s8 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
    " c5 e7 f" Q2 ^9 B6 }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。 ...

    * J0 V8 n* z, v! V9 s5 v这个倒是可能是个问题
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