设为首页收藏本站

爱吱声

 找回密码
 注册
搜索
查看: 1266|回复: 6
打印 上一主题 下一主题

[武器展望] 垂直起落的路上布满了先行者的尸体

[复制链接]

该用户从未签到

跳转到指定楼层
楼主
 楼主| 发表于 2024-10-21 14:15:40 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
本帖最后由 晨枫 于 2024-10-21 00:20 编辑 - M& l3 b5 Z7 ?; d. P# w, Q
; N+ _: m. b! [$ _9 @, D
“镧影R6000”的消息传出,垂直起落飞机的话题再一次爆热,各种“为什么不这样那样”的主意迭出。. H; H2 S+ g% D/ `7 d
6 ~. a; n# t8 F' r9 z
自从莱特兄弟历史性的一跃,像鸟儿一样腾飞就是人们不灭的梦想。但是机翼产生升力的效率实在比用发动机硬推高太多,使得垂直起落直径还是梦想多于现实。- T) g7 t+ v& T& B' t; I1 O

8 M  q7 G. F8 }当然,直升机是垂直起落的。但直升机其实是把固定翼飞机反过来玩,飞机不动,但机翼动,一样产生升力。关键是机翼与空气的相对运动嘛。不过旋翼只能水平转动的话,直升机只能垂直上升、下降,不能解决前进的推力。伊戈尔·西科斯基在1939年发明了倾斜滑板使得旋翼可同时提供升力和推力,至今还是直升机旋翼的基本工作原理,但代价是阻力大,震动大,噪声大。这些不是技术进步能解决的,而是倾斜滑板的本质问题。
, F! Z, y; M( N3 h; m! L; t
; O1 V  d, b8 w1 ]1 L旋翼转动中划过360度,必然有前行段和后行段。前行段必然产生“前推”空气的分量,造成额外阻力。但尽可能接近音速使得桨叶叶面局部超音速,还是要产生响亮而且周期性的激波噪声。前行段与空气的相对速度高,后行段低,不仅造成两侧的升力不对称,还因为桨叶周期性地扫过而造成强烈的周期性震动。前行段桨叶叶尖线速度不能超过音速,以免产生激波阻力;后行段桨叶叶尖速度不能低于失速速度,以免丧失升力;这从上下两端限制了旋翼的转速,进而限制了升力、推力的提高和震动、噪声的降低。0 Z' ]/ s1 R) G7 b8 N% p2 k( w" e
% o  d$ V" G( \5 A( s
8 {" y5 b, z9 }
旋翼产生升力的机理貌似简单,实际上非常复杂。前行段(右侧)和后行段(左侧)造成的不对称升力、后行失速等问题是原理性的老大难
. B& z$ r! A7 e8 M+ K7 w1 @; F) a7 ]" k
自然的想法是升力和推力分离,旋翼只管产生升力,另外用推力发动机产生升力。这就是复合直升机。一旦平飞达到一定的速度,转入由机翼产生升力的模式,而旋翼进入风车状态,减少出力,减少阻力、震动、噪声等问题。但“无用”的旋翼依然产生阻力、震动和噪声,只是较小而已,可旋翼的死重和机械复杂性一点没有降低,驱动旋翼的发动机在平飞时还成为死重,还要加上额外的推进发动机的重量和机械复杂性。相比于用旋翼和同一台发动机同时产生升力和推力的常规直升机,改进不多,代价不小。+ \3 T7 d% G  m' D

/ |, w( d4 L+ Y0 y% `
0 G9 d5 H' }# F升力和推力分离的复合直升机,图中为空客X3) `, }' u1 J' R4 u, V6 y- T2 @
3 ]" |: `8 e- m& |8 q# n6 E
倾转旋翼是另一个办法,这就是V-22到V-280一路发展过来的技术路线,已经说了不少了,这里不再重复。其实这一技术路线还有倾转机翼,整个机翼连同发动机一起倾转,好处是下洗阻力小,坏处是短距起落模式时阻力惊人。+ j* q( \/ |; u: H3 w
4 Z& s) K6 ?2 f
跳出旋翼/螺旋桨的思路,直接用喷气发动机是另一个思路。当然,这时垂直起落飞机(VTOL)只是能垂直起落而已,长时间悬停、侧飞、前后蠕行等特殊机动是谈不上的。( N, @6 Q; v" k/ ], y( M
  w+ m% G7 |9 D. n8 o3 H/ b
喷气发动机体积小、推力大,但这时垂直起落完全靠推力硬推了。也就是说,推力必须大于重力。对于V-280这样14吨级的飞机,需要至少14吨垂直推力,实际上需要16吨,才能可靠地垂直起飞。( [$ L. R' y! [- x) j+ N, Z

2 z& N% E" W5 q战斗机发动机推重比已经达到10:1了。升力发动机只需要短时间工作,寿命、油耗方面都要求降低,在70年代推重比就可以达到16:1一级,比如雅克-38的RD38就达到16.5:1。假定现在可以达到20:1,那14吨的飞机仅升力发动机就有0.8吨的重量,加上安装结构、辅助系统,这在平飞时是可观的死重。
; ^0 c- n: }& y. e- N# X9 k; b3 Q4 T
2 w+ J7 P. {/ E+ s% A
幻影IIIV是典型的升力-推力布局8 `* E# c" k* F; f+ L! w5 [

6 w" ]# O: \) R
# ^1 ^# ?' Z! S; b' X& }/ N  k4 H米格-21PD实际上只能短距起落,做不到有意义的垂直起落
( `' H  Z! i) Z( d/ y# m+ |! V; K. Y: t3 a) n' a3 ~  u% m1 l0 u

+ n1 h4 n1 V. L" T, d“鹞”式是升力巡航布局,但可靠性要求只能用单发,使得“飞马”发动机采用异乎寻常的四喷管,超大的推力来自很高的涵道比,不可能达到超音速飞行,使得“鹞”式称为超音速时代的亚音速孤儿
9 A4 E+ ^9 l) g
9 t5 L6 T/ j. B
3 R. `6 ]) p( M" ]' ]F-35B是升力-升力巡航布局的代表
; ^; X4 d7 |7 D! T; [' N5 r# S1 H) W
2 m6 z: s# t5 i6 b
升力风扇提供部分垂直升力,另外一部分垂直升力来自主发动机的可转向喷管/ l6 n% @$ |0 _+ s: i% i& T

0 w& [$ O, W4 N. n2 l1 f, E升力发动机可以有很多形式。有单独的升力发动机,这时另有单独的巡航发动机,称为升力-巡航布局(lift and cruise),例子有早期的米格-21PD、幻影III V。这时升力发动机和巡航发动机各司其职,但工作时间互不重叠。这个布局的优点是容易从现有战斗机改型而来,升力发动机的分布有利于控制垂直起落时的平衡;缺点是升力发动机占据重心位置,而且为了可靠性,必须多台发动机一起工作,死重大,占用空间大。幻影IIIV只是能垂直起落而已,毫无航程和载弹量可言,除了技术验证,没有使用价值。基本上所有这样短平快改装而来的早期VTOL战斗机都是这样,包括米格-21PD。
, }, H  T( ?, t
5 _/ g0 `1 Q, X' m有可以在升力和巡航之间平滑转换的升力推进发动机,称为升力巡航布局(lift-cruise),大名鼎鼎的“鹞”式是最典型的升力巡航布局。这时升力和巡航共享同一台发动机,在理论上效率最高,死重消除,但升力和巡航要求使得“飞马”发动机采用异乎寻常的四喷管,看起来就像一个趴着的乌龟。超大的推力来自高达1.2的涵道比,在以涡喷为主的时代,这是不可思议的,也是至今最高的战斗机涡扇涵道比。“飞马”不可能采用收敛-扩散喷管,也难以实现加力推力,很大的迎风面基和很高的涵道比也使得阻力很大,不可能达到超音速飞行。“鹞”式是超音速时代的亚音速孤儿,最终限制了有用性。“鹞”式的垂直起飞重量收到限制,实用中基本上都是短距起飞,才能携带有用的燃油和武器重量。
( }: M) X, u& V7 I& [4 X
$ V, D$ P0 H- f. A" j; B; t8 k升力巡航发动机还有垂直升力分布问题。垂直升力必须围绕重心,还要有足够的三维控制力矩。这使得发动机位置和喷口位置的布置非常拧巴。雅克-36就是这样拧巴的产物,发动机非常靠前,喷口居中,机尾成为发动机的配重。! W: }' U3 K9 O) L+ N9 ^
0 m6 s, |9 A3 h) x

' U+ U# ?2 }1 ]4 y雅克-36看起来就拧巴,也确实是因为发动机、喷口和重心的相对位置而成为这个样子的# v1 ~& y/ c5 Z; a

6 N6 f) u4 h5 m8 C2 d还有单独的升力发动机加上升力巡航发动机(lift and lift-cruise),F-35B就是典型例子。这是升力-巡航和升力巡航之间的折衷,既避免把所有垂直升力都集中在升力巡航发动机的缺点,也避免完全依靠升力发动机所带来的死重。8 X" b( c0 o. S2 Q
2 }( L/ H4 ?! e$ ?/ C* ^/ k) \: G8 G
但所有这些布局都不能避免一些共性问题:  V9 A" M0 Z+ H) g+ s
3 j8 e) @7 h! ~; s
1、炽热喷流7 m# P9 f: @8 F  s( h# P* {& Y
: k5 O7 T) w% D* S( q  Y* x1 I( |" l5 T
升力发动机的超高推重比是用死命烧油产生的,炽热的喷流对地面的热蚀很严重。雅克-38在“基辅”级上使用的时候,甲板和甲板下结构软化是大问题,问题严重到影响飞机出动。MV-22也有这个问题,通过临时铺设放热毯解决。但F-35B连放热毯都没法解决,“黄蜂”号在F-35B上舰测试后直接回坞大修了。整个“黄蜂”级都为此轮流进坞改装,“好人理查德”号就是在大修、改装期间起火、报废的。( l' W4 x( n6 R9 b& n

4 E# a2 c5 U" b4 [在陆地上,混凝土地面会被烤到崩裂,碎片在强烈气流冲刷下四散激射。2 C. D2 H6 c# M2 [$ ^' N: P
- s2 m0 o- {0 M
2、高温废气回吸
1 t$ c& ?6 S1 u% z; ]* b4 h% _4 t7 j$ |
垂直喷气触地反弹后,容易被升力发动机再次吸入,造成两个问题:1)高温进气使得发动机过热;2)缺氧废气使得燃烧恶化。F-35B采用升力风扇,一部分原因就是要避免高温废气回吸问题,另一部分原因是用借用主发动机的动力,机械驱动风扇,避免单独升力发动机的死重。
" i, r( \% s4 p  i' I8 i
: K$ R# j* L& b4 w$ q3、喷气在地面横向流动造成的对地吸附
- w1 L( x% w" x& t
) n$ d( m0 S: U& F. s一部分喷气沿着地面横向四散流动,在机体下的这部分流动造成机体下表面与地面之间的文丘里效应,产生负压和向下的吸附作用,使得飞机难以离地。
9 _8 z) a$ O2 O. J; J
9 T5 p/ v2 v  ]3 k在将能量转化为推力方面,螺旋桨更高;在紧凑性方面,喷气发动机更高。在旋翼和喷气发动机之间,还有涵道风扇,特点也在两者之间。6 r) Z  }8 s5 ~: P. m  o% Q
# T; }$ Z! c  ]
几十年来,无数人试图解决VTOL问题,构想从简单粗暴到匪夷所思,无奇不有。仅仅把已经实际试飞过的各种方案罗列、分析一遍,就是一本大书。事实上,也确实有这样的大书,我手头就有。但死重、阻力、可靠性、经济性始终是跨不过去的坎。! \! X  `' D/ X( r$ g3 `7 T" w0 x0 M' ^
+ B, Z  |" {3 c& w
F-35B是至今VTOL路线最成功的例子,V-280是至今旋翼路线最成功的例子。
3 }+ N  k! s8 @' n" x8 U, J4 ^; m: \1 F4 f
一定有人会构想出新的路子,甚至以为科幻电影里的VTOL飞机可以成为现实。但科幻就是科幻,不能成为现实是因为经不起实践的检验。只要把这个那个貌似新颖的方案仔细分析一遍,十之八九可以找到历史上失败的先例,“喏,这就是为什么这行不通。”
" g1 [; c. p4 u# R% a6 X9 o; M2 M  w+ [
至于每一个具体的为什么行不通,就需要搬出那本大书了,在第x页上,自己看吧,一个一个解释太费神了。

评分

参与人数 8爱元 +66 学识 +2 收起 理由
李根 + 8 涨姿势
住在乡下 + 6 涨姿势
tanis + 4 涨姿势
landlord + 12 涨姿势
常挨揍 + 10

查看全部评分

本帖被以下淘专辑推荐:

  • TA的每日心情

    2024-12-7 02:20
  • 签到天数: 389 天

    [LV.9]渡劫

    沙发
    发表于 2024-10-22 02:59:09 | 只看该作者
    记得以前哪里看到一个方案,先用吊车把垂直起降飞机吊离地面多少米,再发动,可以减少对地面的冲击。
    回复 支持 反对

    使用道具 举报

    该用户从未签到

    板凳
     楼主| 发表于 2024-10-22 03:03:09 | 只看该作者
    togo 发表于 2024-10-21 12:59
    6 p* ?& B# |/ e" o& {# Y0 ^2 g记得以前哪里看到一个方案,先用吊车把垂直起降飞机吊离地面多少米,再发动,可以减少对地面的冲击。 ...
    & _' r( K& ]5 \' j
    Skyhook。对接的要求太高,实际上不可行。
    回复 支持 反对

    使用道具 举报

    该用户从未签到

    地板
    发表于 2024-10-22 10:34:41 | 只看该作者
    togo 发表于 2024-10-22 02:59
    ! z5 [+ [! v/ a, J记得以前哪里看到一个方案,先用吊车把垂直起降飞机吊离地面多少米,再发动,可以减少对地面的冲击。 ...
    * C2 R4 e/ ]# L: |. G. ^: T% i
    西西河的本雅明说起过这个。他的方案是搞小航母,塔吊式起飞。真的是有点扯了。
    回复 支持 反对

    使用道具 举报

  • TA的每日心情
    无聊
    6 小时前
  • 签到天数: 2881 天

    [LV.Master]无

    5#
    发表于 2024-10-22 15:24:29 | 只看该作者
    晨大,全自动体外无人火箭发射台有人狂想过没有?就象马斯克猎鹰第一节,把飞机升空后自己回到某个海平台上,
    回复 支持 反对

    使用道具 举报

    该用户从未签到

    6#
     楼主| 发表于 2024-10-22 15:31:22 | 只看该作者
    雷声 发表于 2024-10-21 20:34) S7 M3 N3 Z! Y4 D4 A
    西西河的本雅明说起过这个。他的方案是搞小航母,塔吊式起飞。真的是有点扯了。 ...

    . ], {3 n4 w1 T8 {唉,我来贴一个系列吧,历数那些倒下的先烈,好多比天钩还要异想天开
    回复 支持 反对

    使用道具 举报

    该用户从未签到

    7#
     楼主| 发表于 2024-10-22 15:32:12 | 只看该作者
    testjhy 发表于 2024-10-22 01:243 J# P! G- \7 j4 }  Z- i
    晨大,全自动体外无人火箭发射台有人狂想过没有?就象马斯克猎鹰第一节,把飞机升空后自己回到某个海平台上 ...
    & C  n# s6 \! j* R; Y# @
    这个至今还没有。这个成本太高了,实施的条件也太严苛,大量玩肯定不行
    回复 支持 反对

    使用道具 举报

    手机版|小黑屋|Archiver|网站错误报告|爱吱声   

    GMT+8, 2025-4-4 11:12 , Processed in 0.043311 second(s), 22 queries , Gzip On.

    Powered by Discuz! X3.2

    © 2001-2013 Comsenz Inc.

    快速回复 返回顶部 返回列表