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标题: 歼-20C的传说 [打印本页]

作者: 晨枫    时间: 2023-2-14 04:14
标题: 歼-20C的传说
本帖最后由 晨枫 于 2023-2-13 14:18 编辑
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, w( D0 G1 e/ H# W8 \" K  [$ D《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。
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《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?4 C5 F1 C" t! R) |
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7 z, T1 e5 K& f# C2 G0 S6 h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: a5 |. n! s' K% S& y% `

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还有人认真地画出三维图" X7 a2 S/ Y# j. \8 Y: z; m

" T. u& b8 \& z: D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。
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6 M/ p% M. U6 s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。  c2 ^( w  ~, x8 i' B

- P& F0 C" \3 s$ j" Y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。
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5 ?2 E" j9 U8 e) p. B, p8 `/ r; ^, m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。
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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。
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" M* b$ K9 I# h. U! \7 y2 P- T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:
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, Z" v  v) N6 h: [6 w% s, S1、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: K: b+ \8 u% Q0 i( \# \9 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/ Z6 z6 `0 k, q! N9 g7 S
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% N9 g9 E9 b1 G
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
$ E: S4 S( w+ a9 m) Z6 p5、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
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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。) `5 _; u* [$ I  x
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左右平衡则像“鹞”式一样,用一对喷气的平衡臂控制。
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& |& |& T' y% D; ?$ S9 Q  I6 xF-35B作为最先进的垂直-短距起落战斗机,很自然地成为参照
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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!8 Z  A4 v& y  y

$ Q1 L0 `$ p3 _+ k  I( Y' a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。; _& M7 `! x* ^+ U5 }5 m, m$ }1 C3 P

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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
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3 z$ w+ s  e2 X* V: W1 m: A1 R8 O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, w+ f3 G% c+ F1 y
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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。
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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。
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: a, @& e( h: `" U* x1 E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。
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; @- D6 l6 i; P1 M$ y* M想象中的歼-20C将完全占用机内武器舱
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8 u! g6 m5 G( P% S8 h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- V8 r. s% W& M2 ^+ e3 L4 o9 ]: N
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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。, |* b( q4 q3 m1 d  q  P' @
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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。$ U5 `4 j  T: B
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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。1 P+ I2 E5 V: q- Q& ^

6 j* y3 y- A, _1 V6 W0 _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。
作者: 机器猫    时间: 2023-2-14 04:36
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。! q8 r3 h6 M8 k& n( B$ R& M, C: T. F
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
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- R" I3 ?+ {1 L+ H5 U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
作者: 晨枫    时间: 2023-2-14 05:28
机器猫 发表于 2023-2-13 14:36
  R! F( x9 L" Z3 m% C/ t: Q0 B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 ...

* a  f7 R1 P1 x, V6 L$ X$ f" t喷气发动机的调整没有那么快,大推力的惯性更大。
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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。. F+ ^0 z) v1 f' v
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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。
作者: 机器猫    时间: 2023-2-14 05:46
晨枫 发表于 2023-2-14 05:28
- j$ V! E6 s0 _喷气发动机的调整没有那么快,大推力的惯性更大。- X5 w# J3 f% {4 P4 C" G9 ]9 d( V

( m$ C+ n$ v+ m* h2 J( E' S2 l  v马斯克那个做法被业界很多人骂,原因就在于这里。他现 ...
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还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。3 X  Y; x1 K9 _/ s; R( x
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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
作者: 五月    时间: 2023-2-14 05:53

$ w! v) D( S0 c/ y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。。。* e0 }6 q1 N) Q

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作者: 晨枫    时间: 2023-2-14 06:13
机器猫 发表于 2023-2-13 15:467 c3 f6 R+ X- }! U
还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。! I# v6 K  ~4 {. Y" m8 S1 L# T

2 {3 a) a* h- _' t+ j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 ...
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7 X* j( t% ?) A) [. n. d) A6 \7 F9 e! v像这样?
作者: 机器猫    时间: 2023-2-14 06:19
晨枫 发表于 2023-2-14 06:133 _3 Z2 q' Y* Q  E8 A
像这样?

  Y! ?! j0 F  Z/ V/ Y5 O对,就像这样的* W# n+ {1 ^  ]) W( }, s3 r9 Q5 B
不过这个看上去还是有servo控制副翼?我是打算全去掉
作者: 晨枫    时间: 2023-2-14 06:51
机器猫 发表于 2023-2-13 16:19
9 K8 K; b! p8 N3 w  Z对,就像这样的
8 n6 C; n. T' v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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那在平飞的时候怎么控制横滚呢?
作者: 机器猫    时间: 2023-2-14 06:58
晨枫 发表于 2023-2-14 06:51+ }. L! o' j0 r& F9 n" C; R$ s
那在平飞的时候怎么控制横滚呢?
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跟大疆水平旋转一样啊。7 y, G! P' R* n' Y! F

4 H7 }3 @' _, T9 Y1 M8 G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
作者: 晨枫    时间: 2023-2-14 07:08
机器猫 发表于 2023-2-13 16:58
4 v) Y& c( {1 c8 x* N跟大疆水平旋转一样啊。/ T' y* }7 R, y+ D' k
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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 ...

7 |; W. j! O$ @$ l, \, E5 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。除非你用两两差动反转形成的反扭力?这个反映速度会比较慢?
作者: 机器猫    时间: 2023-2-14 08:09
晨枫 发表于 2023-2-14 07:08& L* K* i. W, L4 Z
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 ...

  X; s/ [6 ]( U8 G# v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
作者: 晨枫    时间: 2023-2-14 08:33
机器猫 发表于 2023-2-13 18:09
: K# b* c4 E& @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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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?
作者: 机器猫    时间: 2023-2-14 08:42
晨枫 发表于 2023-2-14 08:33) N0 E- [7 d5 c9 o0 P, Z
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? ...

, S" M! |" h6 ]6 |* p嗯,试试吧。感觉重量应该不是问题,两边是对称的
作者: r52097    时间: 2023-2-14 09:36
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?
作者: 晨枫    时间: 2023-2-14 09:39
机器猫 发表于 2023-2-13 18:42' u2 N) g& T3 z% ^6 z
嗯,试试吧。感觉重量应该不是问题,两边是对称的
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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。
作者: 晨枫    时间: 2023-2-14 09:40
r52097 发表于 2023-2-13 19:36
4 U/ C. q/ C7 b8 U7 Z7 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 ...

7 g9 f7 j- y% m4 D& g7 H! P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。
作者: 机器猫    时间: 2023-2-15 01:18
晨枫 发表于 2023-2-14 09:39
  V8 c: p6 V5 @6 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。 ...

& s, W! D- j% |. Y2 I+ u; E- z这个倒是可能是个问题




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