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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
8 a" F! Z+ I& S6 b5 r6 h2 P: U" @- \  i3 u3 Q# o. _
《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。
% p% e2 G" W7 `. c* x9 n/ h* }: T, n4 T, ~9 n

4 X6 m8 u9 z# g! A1 O' O* d$ }《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?3 e. Z: f. q  ^- c$ b6 J" k- n

! ?# X# S/ z, n7 J
* M, D! O/ ]4 x4 {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& n2 Z* k3 f! _+ {) u0 [
& c2 B+ u; F) h

9 w! ~: Z+ {8 H7 C! z还有人认真地画出三维图
5 B0 \" i1 @+ a% d6 e; Q- g
" g& n, X2 O; Z6 c, `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。' |7 V  t0 X% S! O# c. e4 t1 D( T
& ~$ q, x7 \8 ^) t% a' _; J9 Q5 n* e
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。
$ v& D" O! L1 P+ w
' s0 \% u) [2 g2 O% g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。
  \0 e+ A, W; V) a7 c: x
% E( T8 z) p. w5 u3 J2 D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。
/ G2 u2 o2 ]1 R" U* v) q
7 x( k" ?1 u  Q9 a! ?6 Y5 Y: b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。
, e9 I* X* U( I2 c
; S' y4 a  M1 A7 m2 q  a: L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:
& t9 o  H1 y# N3 `. A+ a# Z. y3 G/ n
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
4 Y' Z) \5 J5 D% s/ 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7 s% n+ s0 v4 Q; _1 B
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
) u8 I# [7 ], n, ^+ e9 \, R4、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 R6 \; M9 F7 W3 W& M/ o6 w
5、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
  u. M% |2 d/ n4 F: U( o9 b
, O& n0 t# ?, ZF-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。
* q1 _3 P  O. K8 ]5 V$ Z
/ A" y( H* ^% W' G左右平衡则像“鹞”式一样,用一对喷气的平衡臂控制。7 u) \; h$ |1 r2 L& R7 R5 I* a
2 _) L1 O+ Y# x1 T( E

' x- ]- |. k: JF-35B作为最先进的垂直-短距起落战斗机,很自然地成为参照
  z  R: W& e5 m* |4 ]/ D+ t* v" `! e) i; G; E) T: ?( r
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!' r1 I, H% g9 J

: d6 Q6 d' I! ^) F" m1 m/ M; b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。
) r1 X- I7 u8 R) d0 z9 R! m
# w+ w9 o$ [4 p ( n, G$ k$ n/ }
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
9 s4 N! J* E' N
( Z& z( j% v: e8 X: f7 @1 s
5 ?* S  |/ \- n* B% X  O7 Q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 Q6 l$ m8 L: J1 T3 y
% m4 A! i4 d- c% |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。
& h: y; Q( U% W) z7 D4 R0 H5 K
( ?' w, m- R! ~+ y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。
$ b) C8 V% k8 L3 @; {( t2 X1 [1 `5 }! ?4 _
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。
7 L0 g+ \& ?3 j# _  j8 R
( {4 r$ ]/ p+ J# x9 W
1 i: f7 Z" y" i% _& h7 O想象中的歼-20C将完全占用机内武器舱. [, Y4 Q0 P. b' ?- J8 N
. e* R* j  H3 U4 o7 P" B! a6 _
( M$ X: c- n: p: p1 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
$ _+ H" D/ G) l1 N# l7 M' Q7 Y2 n" W- ~( q' @
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。
+ H0 {; r' v; \' }0 F
% R+ U( n/ v% D! x, s6 FF-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。
8 J: h# K4 @/ t& i+ p7 W
- F  Q, g  N( `7 W4 {/ o7 l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。
7 S# R( M' k1 [" i9 i. n" P! f
, c5 H5 Y6 g2 b( z' X2 n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。
    * n  E4 o1 ^# t( h2 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& B# ]1 y5 P) ]1 R9 v3 S$ R" d

    3 f9 P+ i/ a/ s: C" D0 `+ ], g0 T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
    * x% u; A) l1 c0 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 ...

    : y& d3 P' H6 }! y8 `+ C1 c. _喷气发动机的调整没有那么快,大推力的惯性更大。
    0 I$ E9 O0 [0 A. H% L) U/ ^' l! B  g% \& ~. f9 |' W: U" D" t
    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。
    , u6 c5 q0 ~% ]' `8 p
    5 l) n5 u1 \) l; R) E8 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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    发表于 2023-2-14 05:46:25 | 只看该作者
    晨枫 发表于 2023-2-14 05:28/ O. c. f+ b  x! \- t' I
    喷气发动机的调整没有那么快,大推力的惯性更大。* [4 Q6 r7 I/ Y
    / W  j) i, y2 ]( w" U
    马斯克那个做法被业界很多人骂,原因就在于这里。他现 ...

    7 b1 v* m2 N1 }9 e: h, c& M8 Z还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。% K! f5 L$ K# @
    & {. D  D' w% y  G) X6 V9 q, J2 N
    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
    . [+ Q  _  V% G
    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。。。
      p" }3 g: m. U  P$ \. h4 g* `# e% f2 I9 ?2 i
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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$ Q8 Z* U8 H7 }/ g. p
    还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。5 I+ v* f0 d% A; r# \4 t( H6 v1 T: C% J
    ) f' F7 S* B8 |' q8 @
    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 ...
    7 ^, X* F# [, t! ^9 b

    1 [+ F& ~, `( x3 p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
    * b( O/ u7 F# k! E2 ~+ u像这样?

    ; ^0 o( j' R. x% {7 i4 |对,就像这样的
    ( ]2 S$ Q" f- t( k3 l  v. ?5 ]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( n7 [( F4 k  ?& @
    对,就像这样的; H  G' ^7 B4 B! R
    不过这个看上去还是有servo控制副翼?我是打算全去掉 ...

    " v) J( P% S- O/ q) l6 R' w7 Y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
    ' U8 m1 D% y; q$ O: ^/ Z那在平飞的时候怎么控制横滚呢?

    , y6 Q$ b4 E  b  C7 [跟大疆水平旋转一样啊。
    $ }) _2 m$ A4 d4 @2 X' `6 z7 j. m; D! Y# i" o& d0 I9 k9 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
    ( {  H* g6 ?9 _* e. X跟大疆水平旋转一样啊。
    + z! u& X9 D& T, w( M6 \" y* t  S- M3 ^, [: u
    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 ...

      `& D+ _2 U; j8 |1 Q) 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 07:081 C$ w4 P: z, ^9 a! w
    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 ...

    ( C; Y/ H3 h6 d. v' [/ a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 18:095 u9 v; ]( M7 c# J5 z/ I: m
    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 ...
    8 Y. g* i* @" K- j
    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
    ; G& u" j* Z1 d  G  t( P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? ...
    4 ~8 O8 V8 \' A  g3 r7 [; R; t
    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 18:42
    & j9 w* z1 Z" B/ O- r/ _嗯,试试吧。感觉重量应该不是问题,两边是对称的
    2 F$ O- H& d% W2 g
    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
    4 P6 ?7 r, D( u" v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 X0 `' J/ M/ w4 U& C" w4 ~
    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 l, n  w4 I( x" S! ]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。 ...

    ; R2 I2 e  n: N  [这个倒是可能是个问题
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