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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 ! w( g% W  A  g- z4 {4 s

, n! ^' R* m, X* ~. U9 F% O; U《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。0 e6 T" H3 k1 {0 U4 K% i, C

7 l6 y3 b% ]* Q ) k) r" ?. m: G; R8 m/ F
《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?
! l' j4 N9 h) q1 v, m# }) d, D6 S% a, ]6 r$ \' t# `

& w* y+ V' N4 [* A4 A在电影里,歼-20C是可垂直起落的歼-20改型,在思路上接近F-35B4 J) [4 ~' q% w" s1 ]
4 p8 B! n# G0 s$ s) R, H: X* _+ s

2 }! A! f/ s( ]6 D, ~/ A还有人认真地画出三维图: Z: w; c! W# _' {; [! @$ Y* c& b1 s

3 r, v& c0 [/ F0 h# g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。
% Q, Y0 a- q3 |- B5 N) l5 y: d! b# P- g$ ~0 @* h" K
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。! }# Y& W1 G; R  a1 N9 y
) L- N! k' T. v8 B$ E
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。
( q3 J  Q- b- h& Q) m- @7 b; e8 ^( S' A
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。
- l8 K1 \6 S9 y, q' i! D9 t) ~6 X
$ w! x: b& J; s+ x/ d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。
. T0 w& o% t( e) Q2 u
* l2 L7 w/ w  d1 e7 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:
9 o& C/ p: d3 }" V" D2 M9 k- @" n. t- s3 T7 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6 @9 u8 Q  a0 a: q2 l
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. k9 B7 A$ B9 M) P/ J7 E
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/ ?& B) ^( J1 `& 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2 _  U, p: t* G: i
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( B, t" w0 S1 ]0 q! Z, A8 U0 n

% G2 U5 j. K* G# J5 [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。
- }% h: q) Z; \# I. i, e& [8 `; {7 w  A" X3 q
左右平衡则像“鹞”式一样,用一对喷气的平衡臂控制。
9 T$ K: F( ^! b( X* b) C) q- H0 }2 \$ t" s! D9 p$ {- m4 V

& j5 k, M9 u; Z4 h: a+ OF-35B作为最先进的垂直-短距起落战斗机,很自然地成为参照7 X, N9 c  T9 T5 c& V8 q

1 \- w' f" O# p, I& m) ?! ]( Z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!
( C% h1 Y. u( V' j7 n
& m" k4 D( c  u# v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。( Z: n; i- G3 U4 ?" v2 q% v

/ r0 F2 ~1 }$ B6 ]( J3 @% J3 s % y5 c3 r* @' x1 J2 f8 b
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
, `, T; }; M6 n3 z. j, h9 U4 p0 I' h9 ]3 N+ g

3 _8 x" B* y$ h7 V9 u  q7 T7 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
7 z8 k+ d; C  N2 j$ L: e7 e! }3 z7 t
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。1 z1 v3 X/ k* G  W" R! N" I

, y- P/ e' B& 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。
, P  D4 Q$ i# y5 c8 V
% `+ }, j. \: k% q1 Z5 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。
7 c' O* z# g1 S' F- J+ ]$ B: q/ E$ m2 n/ t, S9 e
4 b3 _/ Q% [6 h) |& ~7 `
想象中的歼-20C将完全占用机内武器舱& {6 g/ V7 g% V, L2 g- a6 ~' O) o

* s0 W$ k% N2 H& N6 F . c9 A0 w) s+ [" B8 {! T" p
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
. z- [) g" I" y2 \2 }/ l
1 N' s& `0 \% c: @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。- R6 w. [+ I* P  A4 y
5 Z6 f0 i, h4 [- ^$ \+ u2 k. |7 X
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。
3 y* R- y2 L. Z& d! v
& {2 ~& O/ q: G0 J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。
& ]$ e% ]) S* g6 q
! c% f8 J7 o" a4 }. x1 h( m" z9 [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。' t1 [5 V$ @- Q1 r* a% o* `
    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; I8 F8 A/ D* f* H

    4 Q3 f0 b3 J1 Y6 w& 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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    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
    - x3 w- K4 [' p* P* }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 ...

    0 J* l* ~. R2 Q4 W! F+ j8 L喷气发动机的调整没有那么快,大推力的惯性更大。7 \9 ~! t  U2 B

    ) a, y2 `" w, E- F  _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。
    7 X/ u$ |) z5 [) \( F; S! M
    ; J: a7 M  H0 p+ W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
    奋斗
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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 05:284 n+ V  c" r/ [1 E; N# o
    喷气发动机的调整没有那么快,大推力的惯性更大。
    " q: ?% m- F  _' d; h
    # n0 k+ k. S& P马斯克那个做法被业界很多人骂,原因就在于这里。他现 ...

    6 |% M6 l3 k2 n! Z3 C0 L" k还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。8 `# [: |9 H, f( R3 g% ]* P
    4 Y# A$ n+ n9 f( r
    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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    [LV.1]炼气

    5#
    发表于 2023-2-14 05:53:27 | 只看该作者

    ( i+ O5 `1 Y* ^8 y$ q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。。。
    + `; A8 v" O2 U) _
    ! C0 K; D- r# [# O& J+ Y8 N9 I8 ]
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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 15:468 E( g) E2 }* V7 A# `: e' A+ Q
    还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。
    , Y( U% m* b% @6 O) N! \$ L3 P; e# u1 @! M' i! U7 A
    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 ...

    ; f3 I: B( ~9 R, o* w% y$ Y2 n0 j+ _
    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
    9 V, F: R! |$ i5 K+ C: h! A- \! a像这样?

    + Z  W0 S' a/ d7 x) m6 }对,就像这样的
    : z' D! r1 f1 ?9 ?# g5 w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
    ! i. K+ ^- Z/ u; C8 E' X对,就像这样的
    4 m6 t* ^* d$ ]+ g  }2 K不过这个看上去还是有servo控制副翼?我是打算全去掉 ...

    3 \" F! ]- l7 `2 O4 [8 B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

    [LV.1]炼气

    9#
    发表于 2023-2-14 06:58:06 | 只看该作者
    晨枫 发表于 2023-2-14 06:515 k* \* g) u. N& U, y+ h% u
    那在平飞的时候怎么控制横滚呢?
    - c0 d. [$ i5 V( O0 g
    跟大疆水平旋转一样啊。7 q& O( ^- q& ?, E  a% S

    & l0 X& {  S1 d) G5 b; ]# W5 @, ]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
    ; }8 n: q# {2 q& W. d跟大疆水平旋转一样啊。/ }; z9 B& v$ t: u
    ' X0 Y& t; m) S1 o2 A
    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 ...

    " |" P( }) @+ x; E% J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
    ! H, f; R3 f) 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 ...
    0 [. c6 t( m+ \- H
    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
    * D) w8 F/ X1 I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 ...
    , Q, Q  R" S7 F- 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?
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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
      B. l  t4 ~/ j# E$ r8 c! ^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 o( B. ]. l: s6 a; w( \$ 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
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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 18:42
    " C5 L( a$ W) u$ n+ z. g$ t嗯,试试吧。感觉重量应该不是问题,两边是对称的

    2 H, l  P, m, T- k: e2 T8 u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, q8 i7 C7 M: Z% F2 {; u
    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 ...

    1 O: P% V2 d' Y; K* I( x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 o3 {; B9 v% ?% e' A) H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。 ...

    8 _3 Y9 ^3 x0 M1 i这个倒是可能是个问题
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