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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 i0 w: F- }' U1 g" `8 D% t# w

! U8 t% E. L% m  x& [' n《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。3 D  w. [4 |1 j4 e! B' {9 B& x
& E3 n' N4 a1 }% F

2 d5 _0 ~2 R! ~3 @5 L( t《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?
' p* G' R# F' ]6 B4 `( l: R9 X3 r
& B3 d. A8 y2 A+ @1 m" T. d
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
! p; @- `- d- ]6 \( K/ W
1 u% I- [- h4 e3 R+ n7 p 6 H, ~* ^" g0 T9 |" f6 o( ~
还有人认真地画出三维图
' b6 L+ i  N' B. B5 E3 P
& |; S/ D% Z$ Z9 C4 M& G5 y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。  _  m3 H+ i0 e$ g* I) R1 O1 p$ Y

0 u5 _9 I  d7 l$ U+ _/ L$ K8 m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。
+ g# C# S. [# I' |+ V2 @" `6 H/ d- M2 H- H
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。" w8 _4 Y: l5 N% s& t
! X/ T( i. P( l% N# p
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。% v  V2 Y6 _/ A: v3 ]7 v
" b4 p7 d" u% [% X1 O0 G& \6 @
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。  a3 G, q5 N/ Y; t8 p5 ^
% {* }6 C" }( z# E% 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:
! r8 r6 c- o+ o$ Z# F/ F; l# V  `& n& P. X% o
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/ H! D: f$ g) w. m+ l  Z
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
  t* C6 E, [7 U( E, Z0 M3、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
/ y( h% A+ Y/ m! p* ~# M4、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, g; T( `( y4 d6 F: _" U
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; |6 G, W& C9 L) y* \+ Z

5 w9 `. c- j% W2 W2 \$ p! ]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 U1 ]3 F. t( Q; y

# ^  [6 A1 ]  m7 K左右平衡则像“鹞”式一样,用一对喷气的平衡臂控制。* v  L2 t1 z0 [0 q9 `; g: R$ h
  ]5 A% r; E3 j6 P  i& ^
  \/ l- ?# S* D, F  z9 a
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
/ z& x; |/ T/ `* K' z0 Z! ]! V6 L1 A0 }& }& ^; {
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!
* H( I' i# J) ^/ `
: n. c7 f$ l0 E+ R! {4 ^' 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。
3 [1 K9 ], F! t. Z; b4 ]
0 T. e5 D3 k. D" K& a1 X; O' t
2 ?; v  x( c. OF-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- n4 r0 q6 t; J/ d+ F/ E
/ v+ W% E4 X+ a4 H4 [' q* R+ b3 t
9 O% t1 |- k5 y: ]% t' r
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
* @! {2 y! k5 ]# Y% T! }1 O" ~+ d! i; z7 f! o" U
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。+ `& R$ C" ]7 r1 |3 Z: h

8 A3 M: a+ G! O1 a: j+ }* Q1 S/ b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。
% a  y. \/ a, z& ?( a& G
( i4 l% n9 r. j, l6 i: _' v# O6 v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。
( o' _: \% H' `( r9 P& t% e
& Y  [% Z. x# h! \4 |
+ [/ W7 X3 o1 J8 L! B想象中的歼-20C将完全占用机内武器舱; O2 a% T2 Q* p5 p9 s. I
& ?/ |- O2 A% V3 x7 @

) A2 W6 P2 I5 ~: `: x% D4 S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
% ]2 ]+ j4 R; v
- y4 R  R. c2 l9 I/ f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。9 F& J) c$ E* _6 A  E& d+ M7 D

# n+ ]  V# ^+ J- P) m" v$ 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。
7 z6 e7 E5 M4 l+ M# W  [
0 x' Z; `0 i  M/ S$ P5 I, D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。
+ J% B  h. b" p9 u* H6 j9 Z- o. r
( `9 Y( V) r, [1 h4 `' Q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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    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。
    & y2 i# v& G5 _8 G  s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
    ; m( ~+ Q2 K( U! ]( G# n. ~! f8 C  `* i, _$ X7 ]5 q
    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 14:367 ]% z9 n* m$ i/ W! H
    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 ...
    ( n2 B5 K" m- v: S) Y/ y% c5 D
    喷气发动机的调整没有那么快,大推力的惯性更大。* P0 r' y9 K  r7 V# O0 b" X

    " d' z5 U% a* e' W' @5 G" l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。/ Q. L  I) s& i. e0 P
    ( z/ ?& _. R3 C5 N: B
    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 05:28. Z/ K6 `9 R9 U
    喷气发动机的调整没有那么快,大推力的惯性更大。
    7 o* L: ?$ r& O  v; v' Y# B% A' }: H! M" e9 L9 B- z
    马斯克那个做法被业界很多人骂,原因就在于这里。他现 ...

    + C0 a. W3 i) ?1 Z4 u还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。+ |2 U& n2 r2 F9 ~

    . d5 F' a* Y' B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

    + |8 C4 b) a9 X7 H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。。。! E* J# o& D5 b7 z) g0 z) ^
      M) G2 E! z1 L' ]' k5 Q5 a9 O2 C
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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
    % s5 l6 `6 Q! E8 d6 m还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。
    8 Z, M! G5 T- {& T! q0 V7 U5 M6 Q/ t2 K0 j3 h, Y
    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 ...
    6 v# W& U; ~* g! |/ _2 K! f
    / \! h& H4 Y  `- q* x5 x
    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
    ! g# L- E) Y1 v& [- f# Z9 K# \. V像这样?

    ( h3 ]) C; ?: N: A) E# ~对,就像这样的
    ' _& E% o6 ^- I) i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/ U$ r! v) `8 `$ O, A) K# |# a. v5 ?
    对,就像这样的& |1 J! n/ B1 O+ i; O
    不过这个看上去还是有servo控制副翼?我是打算全去掉 ...

    0 d$ I; d& K# K" p6 ^& g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
    ; _/ f$ [1 ^3 G& d0 h那在平飞的时候怎么控制横滚呢?

    6 b6 r* D1 u' y/ s跟大疆水平旋转一样啊。
    ! Z8 X, A9 s; l# p' O  w0 l/ U( A# I# ?4 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 16:58
    2 W# H- S2 N4 a. c' ]' r跟大疆水平旋转一样啊。6 A$ q5 K- r  v* E2 f/ |* U* p8 g% G

    + g4 b+ F3 I  F, H7 r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 ...

    # x! `' M" E1 p0 S% O: l, Y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' ]. q' [. j2 f5 O) F6 K. [  n
    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$ d6 h5 n: y6 T' P; k4 S. 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
    ( \' k1 v. E- p9 ?, l& H( y+ 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 ...

    ; R$ b4 k6 V3 _0 ]' 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?
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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
    0 X: E* |0 J5 Q; O( F0 s' v" 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? ...
    1 J- k! L+ U% N- g& 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
  • 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 V2 N* G0 M8 y- K: i- Z* p7 ?/ F0 j
    嗯,试试吧。感觉重量应该不是问题,两边是对称的
    7 S& Y6 U8 T1 V. b$ ^) I$ _: `, [3 D. A
    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
    ; f+ @# p( ~7 u: Q, P, l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 ...

    6 S4 M% ]; C1 H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
    ' A/ H  K8 a+ b; U( x" 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。 ...
    + `3 Q; k8 |$ C+ A5 T
    这个倒是可能是个问题
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