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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 a5 y0 [" B* b( @  i/ m: J
8 L) m# J& s- A+ f: ?- u6 I( j7 _《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。8 _8 O! j. F' e
# f" [' R6 w: t" V6 O8 q
! v% ^& ~8 m2 G0 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?
6 ]/ e0 l- P4 g  {1 H$ r" P, B; y" n' R% C& m8 @

% c2 Y  w, n: s在电影里,歼-20C是可垂直起落的歼-20改型,在思路上接近F-35B8 |; _0 w* C" }; B/ R+ u' D  ?" S
- M4 z% O8 u" F9 d

3 s/ i$ d* T4 I6 a, z还有人认真地画出三维图2 N, C' [5 Z) q! x2 T8 y

& U0 ?* y; M" }7 J3 q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。
. n: Q) D3 F2 U% a; X) D7 z' z1 r$ ^6 _+ D4 R' L1 F$ g
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。1 n; K; z/ D, i4 r% t
1 k" c8 V: v6 v+ h9 S
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。
3 A$ C+ c3 u: L! x
+ ~3 b2 Q: J% w$ Q! z) v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。
$ X7 Y/ }, j. H& d* D  `, w0 r) f
, }. @0 e& p' f5 `$ W/ a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。
3 G! s- W$ G2 ?/ `' }9 z/ c4 I& v: n
' Q& G" X& g2 Y. ~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:& @6 {% e7 f, \5 l5 `; s) j; d

) O/ s. o+ U. ]/ [) `' y: ?, n4 O5 M1、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) ^7 }" R+ s; o; 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
8 x7 H9 q/ S" P) o3 }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' i, H3 p; h$ D0 c
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
& H+ y$ y0 k5 S6 E) R$ B8 N7 j5、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  m9 F& t1 }7 D2 D  k; W

" x9 E/ w* x& Q$ ?  |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。3 O5 Q$ f8 ?: ~% D1 K

4 a6 o4 g4 I# E  G3 W左右平衡则像“鹞”式一样,用一对喷气的平衡臂控制。
% A. i! ^' j4 G6 N% e
' t1 e, h( C$ L8 C / z0 i8 I. ?; Y# A' N
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0 E4 Q* I$ ]* D0 R
9 H) p$ V5 ]) J3 M3 X
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!1 X8 n2 P4 J. b+ m

4 M+ t& J6 X" k. L, `7 _8 y7 [6 L7 \8 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。; k  |+ [* ^' k# ]. K4 L
& v& W8 Q* f  e. I: c4 e- M

9 |5 T6 D) [1 x2 H, _. wF-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
+ H3 ?) R% d; a/ W/ U# F( y" }+ ~* S1 Z( h/ n9 l5 }9 l& z

9 E2 L- D0 P8 b) m: x& 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; _% n9 w4 \, O# b/ {9 W' L

9 Z5 T, L& a6 G: ]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。- _0 ^4 x& g% S" ?- q6 l

3 i" E( g6 p+ X! e# h- y( {3 F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。) q5 d4 C9 Z) j; v( `* d7 ], ]* E
# t% y3 |) e& ]# x$ v* o* R
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。
' z8 `& Q. w7 {  M' t9 Z, Z2 @/ M; h
$ N& m- o; a" ?; c' D
# K* X- j* y2 V3 J2 q想象中的歼-20C将完全占用机内武器舱: a, }: @9 s8 q* D" c. C. a9 |$ w
! f0 e+ {* `! A/ K- g1 s1 v

6 V3 E4 w' U1 E7 ?$ F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& ]0 g7 E1 X" k: w7 z! U8 s: W5 c7 [2 z- G: o* P
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 r9 I+ d+ E# \* S' h$ t5 z; l; Q5 s- x; o
F-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。
, Z, R( r- @5 ]
  }; w' b0 F  I% F5 |$ _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。% e9 \. E3 |# d4 p3 U
' r" _9 T2 \$ i1 g! 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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参与人数 8爱元 +72 学识 +2 收起 理由
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。
    9 i3 `! M) ~8 K% S- v0 H, 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
    ' D: }# ^& _7 A$ I8 O: A
    ( e$ c1 F. J* K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* a; U* a5 R1 v8 m
    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 ...

    1 Q% g1 c1 ?* R) o喷气发动机的调整没有那么快,大推力的惯性更大。/ \# G+ E1 F- j" ~( q0 w

    ' w% _9 z3 M" A0 i7 z, J5 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。
    2 ~& f) N9 u1 t' I9 ]4 f* G7 y, e9 J$ X7 z
    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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    地板
    发表于 2023-2-14 05:46:25 | 只看该作者
    晨枫 发表于 2023-2-14 05:281 \; M' L; ~5 }, l$ j& p  f
    喷气发动机的调整没有那么快,大推力的惯性更大。2 ~3 x. u$ g( l; H) {, ^3 i( f$ B' V. z

    6 e8 Y" ]$ e8 }2 u8 r$ M马斯克那个做法被业界很多人骂,原因就在于这里。他现 ...
    ; D" v; C2 H2 Z2 i9 n$ v
    还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。
    4 a* D: [- L/ ~! m8 a- D6 ^1 H3 P. }3 c, O0 _; e0 t' k
    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
    / k3 U8 R3 {3 h5 W* D9 E) q) F
    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。。。
    ; [, W" h8 v: f0 H5 w& g! o& v! J# g( Y# Y; X3 X/ B# e0 P
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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
    7 L; C$ S5 {1 S" T还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。! u, ~4 q# s( d5 Z1 n
    7 f9 f: C0 ]" M0 n9 `8 Y& ]7 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 ...

    & F4 j$ M8 p2 r8 o, G2 m# [% q
    $ Z- c! \( S* 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
    6 A) H8 a! P, F6 u像这样?
    ! V5 h5 S/ |) a, m/ r
    对,就像这样的7 P' X% g* @5 k' ~0 d
    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
    + l& J, R( G0 G8 o2 D) U对,就像这样的
    5 k! w# J' S0 j; w7 s! j不过这个看上去还是有servo控制副翼?我是打算全去掉 ...
      x4 q0 o! n" T' S
    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
    2 U; k- F4 n3 u9 y那在平飞的时候怎么控制横滚呢?

    $ i4 e1 J& W9 D  F6 G! W( Q$ Z跟大疆水平旋转一样啊。  }' I4 O4 ~! u7 J. I: `

    . H/ {% q3 u5 P- m! M6 h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% I1 n5 B- _3 e1 U1 z9 ~
    跟大疆水平旋转一样啊。. F* I7 `& c/ V

    , u! D/ k5 x4 Z# s- e; B. 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 ...
    " `) M5 U+ l1 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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  • 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* n+ P; N! p" k" 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 ...

    3 H5 v, k8 r: P( P5 o2 f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" ^- e# q" Y6 V1 E5 t/ Y
    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 ...
    1 I1 c5 A( k6 f* s6 F3 g2 I1 j5 L" s
    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 08:339 W0 e% k0 H# P, g/ J2 \; I2 k
    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? ...
    6 {4 n, \8 W6 r0 ?
    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
    3 l$ [* e+ o) s嗯,试试吧。感觉重量应该不是问题,两边是对称的

    ( j" X7 @4 F8 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。
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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 }, l2 X! i5 \; W/ h( p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 ...
    + ?( v$ w* d4 ]
    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 09:395 r+ c1 Z- z3 `) v
    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。 ...

    ( b2 `# [4 k/ i4 R4 U* L* V这个倒是可能是个问题
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