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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
7 L7 L5 {" Y- k, P' o1 e8 E  \: w2 ~$ h* |5 D. x$ l- P$ {- K
《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。5 t2 ]  n! K3 {: D
- [. k) B/ g2 K3 z( ]  a, O

- ?4 x6 U1 i" o- E  C# \4 V+ o& z) R《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?) D6 ?$ Q, n+ G" h4 R: D4 z& d5 H0 m

$ o4 m6 }3 P) x+ ?- d
5 W$ D" J+ E( s" U) 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
8 S7 `' E$ C( d% a# T6 \3 P
/ l/ v+ ~+ |- K& g( [; w2 o- @ ' T* F. W, j' m
还有人认真地画出三维图
2 f; z7 |$ S( _9 C5 X3 V  j6 p: L# ^: G0 G- F5 \) H* N2 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。
0 e1 f  m( I% P) \& c, N8 g6 p+ C' R7 C; U9 t# I9 {8 s; B
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。
. S) T% h% P! D& A" ]( x
8 j4 v, {: m7 }- D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。) P1 }7 E( W  C& z* e5 Y1 H; M
- O) U4 _( z' l/ K- H1 p$ T
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。
. t9 m  H$ m- c0 D9 q, Z( _0 r4 X# Y3 _
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。
) ^. m& s4 P- A) q' S; M$ |. F# ?' j$ {% ?7 K' ]$ H' q5 ^3 T
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:
- c$ c7 |" n2 v" a. R
2 {' u' ]: y+ F1、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
8 A* Y2 ~( n% A. U2、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
  }+ k; K* u* N, N) y3、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 ]* \3 x$ f, J. P
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
8 Z" w3 M6 g, e# L" I% ~  E& b5、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1 h( I) V+ z' S% A6 x9 Q

* K2 J9 ?  W3 }; a3 `' e& z" W* aF-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。
: g* O: L9 Q$ |# w. a( z9 x. m
" u6 _5 o( ^$ O! y+ z左右平衡则像“鹞”式一样,用一对喷气的平衡臂控制。
; p0 v+ X  _- `/ k/ u7 O8 r8 V: u4 Y# d1 M, \

- d# E# K2 {! uF-35B作为最先进的垂直-短距起落战斗机,很自然地成为参照
. g5 l# T7 H' L" Y# N' F5 C  D  j: Z+ Q  P; _
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!
( z0 @6 z7 i/ f4 W+ V; I# u( ?1 C8 }; d- K* l, G1 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。
" p8 r( D* Y- R5 A8 X5 x" ^2 C- Z" U" @' [3 {$ e

& S& ]7 _# f- n" TF-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
3 B4 q' r: Z' t  k" Z, w5 t# j8 B- E2 {! A0 i* f

3 D8 w* d' c9 E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
9 U# f* u: M4 G, X- }. _" N: S% P2 K4 F
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。# V  ~7 A( k+ g9 X
$ {8 i* _3 \7 N4 g: a1 U. j/ 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。- E7 ]& D  ?$ r* z- V

& t" d& ^1 J  z* Z( c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。
1 B6 b0 Q5 E* ~6 P0 Z3 Y& F5 }. c! {$ g' l$ M  c5 t- H5 L9 M- \& u
% S2 @) L' Y5 M! g
想象中的歼-20C将完全占用机内武器舱% U6 x( Y$ P" ?6 L- ]+ n( o, [

7 C6 o6 f, q) w7 E6 D
7 E; p* X5 n" I. G; f( I7 D4 j/ c+ A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# o5 Y, l0 L# A6 H
% Y  {1 p4 y+ Z& {' z% E* j
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。* T! ]; _, a( [1 K( g! a# [

3 g! k+ v% p0 bF-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。
3 g7 Q+ F* M$ p" ?
- b& P2 k5 {, V  Q0 x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。9 h8 h6 Q4 ]3 u3 |
3 Z! u0 P4 [) B6 ?0 g+ {4 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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    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 T9 [5 M' V- p& D5 L6 H
    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+ k3 ?( i" q% `. f# j
    ( c! x  S4 h: |5 u
    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
    ; L) S+ J: N% B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 ...

    / M/ Y" y/ o7 d# z喷气发动机的调整没有那么快,大推力的惯性更大。
    / y3 U; g+ b& C+ i) f/ m# l: s+ S; v/ f3 c& Q
    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。: @1 Z$ k! \4 G

    , W& t& F0 b7 T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
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    晨枫 发表于 2023-2-14 05:28
    9 \5 y8 s) L# k喷气发动机的调整没有那么快,大推力的惯性更大。" V6 L% X5 d8 z4 S8 v( b" N
      @7 W+ j& t) w6 Z; F
    马斯克那个做法被业界很多人骂,原因就在于这里。他现 ...
    0 {$ u1 ^# \; D/ m
    还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。
    0 N' \* x; I1 ?  T6 s$ t1 a* v& o4 \# E- 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
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    5#
    发表于 2023-2-14 05:53:27 | 只看该作者

    4 c8 `6 G3 O- B/ ]8 n/ Z; N9 M1 v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。。。: J+ P* i9 h/ Y) n+ b
    ( v. r7 _' t* {) z  h
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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
    8 b2 A# {* b! v' R- p5 [% I还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。: A2 O' }6 e  h: Y" s/ H

    ( L9 l+ X& W3 t7 [5 k: Q  X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 ...

    3 C/ D9 W) B! b! H6 D7 V
    & E' X+ p$ w$ O: l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) a9 G# V- U8 l" I# N
    像这样?
    , e; J7 U  i4 C
    对,就像这样的
    3 r! J) Q- g) @: d5 y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
    ! W2 u* [  v& |/ h# V对,就像这样的
    $ R7 i8 u$ S# R+ J0 O, S: f  r不过这个看上去还是有servo控制副翼?我是打算全去掉 ...
    4 Y4 r" U  X+ {, U7 y2 E6 ]) c
    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
    ) C9 _4 b/ h: Z# D* q那在平飞的时候怎么控制横滚呢?

    9 [) ]! N" {3 x5 n8 H* O跟大疆水平旋转一样啊。
    ' V  {2 W# i, w; k
      G. _' X: x- c. x; s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 16:588 g/ a$ R' x8 n" T" A7 x
    跟大疆水平旋转一样啊。
    / i; O: Q& e$ R3 u; t4 A% u! b1 ?1 [1 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 ...

    " w( a8 t, r' k: k8 M; @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
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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' |( d) Z4 _$ t& G/ `& d
    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 ...

    2 x; s/ o% [2 y3 k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( x: u1 J) _- D+ T
    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 ...

    & D1 F8 U; b2 [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 08:339 t  l, L' G0 ]2 B' \) L7 e
    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? ...

    ' t2 D$ o' T* {7 c; j/ V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 18:421 W: o: h/ D3 m/ Y" z
    嗯,试试吧。感觉重量应该不是问题,两边是对称的

    % U+ @% W( p6 q" \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 19:367 s. G9 g7 e8 ^! }" ~# G
    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 ...

    ; S+ t1 }7 _6 t; u% R1 k# E/ }# p7 d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  _" U- \( a6 V0 W1 ?# c! w
    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 u% [8 I# c4 \* P4 A. g
    这个倒是可能是个问题
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