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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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《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。5 v3 t( G( N  n$ ]! x
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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？/ x% C6 P) _! x* Y  F9 _' x1 X
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1 j* [' h) W* V+ P7 A5 Z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
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# t  \& ^1 W5 D: C: O还有人认真地画出三维图
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* V& c; E  x9 f$ v1 t$ z2 W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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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。
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# n* t6 J+ J# t; k9 h8 q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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4 O8 m3 h0 A6 K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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; \) d. j. |  i- y; X6 l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。6 d# }; E- }- W% T( `9 ~
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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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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
, t" X2 F/ b5 V9 B2、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! z# s/ D: \, U$ [. m
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
! V7 S: T6 m% z4、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
: W( B! y" d1 L+ ~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8 g* i: @( F' ?. k/ D6 H2 {- x
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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。; A# L! n2 o8 h
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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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# P. W$ c  ~$ g. @+ t; y1 |* qF-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 Y3 ?2 t$ q* E' @
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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！% E7 a7 P8 ^) Y

( V* m/ H5 }6 U$ p( ~; ]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。1 e& N: l: ^2 p+ q+ T9 f  p

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0 |$ J  w; ?! p% GF-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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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6 Z/ ?( ^; m4 R* e% _+ y

. ~- ?; \, G* G2 S3 c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。# q* T( T0 e& a; U
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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。, H5 }- c7 g' ^  O! j" u0 a' B" C6 ~
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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。& S, ?6 m6 q$ P; m2 j( w' E. _: V: p

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想象中的歼-20C将完全占用机内武器舱
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: J* q2 {& T( Z# I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! i0 Z9 m2 ^) a- E+ e

! d& w; ?, D7 d0 Q( x4 j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。
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% H$ r/ a( Q8 uF-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。- f6 T5 L; {+ s
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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。
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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。
' p- P# c8 X- a0 Z9 C2 s' s/ e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2 Q& i% W. y% a( e3 f2 E' }7 n

* N8 }( Q7 S# W8 l$ b* i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 14:368 \3 U1 d! D4 A% E! @5 j
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 L; @! _% t' q$ I; q2 i4 U- X& n喷气发动机的调整没有那么快，大推力的惯性更大。8 ~' |3 \- J  G& _/ b) ?
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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。
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3 O' S/ Q6 Y: e( ^. r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
6 D7 V+ j- s- `  x喷气发动机的调整没有那么快，大推力的惯性更大。2 N" k- l7 ~/ A# ~, y

( m7 p( r" J9 c: u马斯克那个做法被业界很多人骂，原因就在于这里。他现 ...

; `$ ]2 A4 |$ w1 a还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。
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5 L' a1 l% ?# N$ f; s* z, v- [* O& n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
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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。。。( ]* a. @2 h5 q: A1 s
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作者: 晨枫    时间: 2023-2-14 06:13
机器猫 发表于 2023-2-13 15:469 |6 }# c! G; J0 d$ u5 `
还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。4 U- b2 }. Z$ P; f) e  |( \
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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 ...

9 e0 Q4 N: v- s0 s4 |3 [% |! A" Q9 [, Q& M3 V
像这样？
作者: 机器猫    时间: 2023-2-14 06:19
晨枫 发表于 2023-2-14 06:13
  O* O9 a' V# G; V' @5 F, M$ r9 D- W像这样？

9 D& b9 x" k1 j# [8 R对，就像这样的% Q1 b! M$ r, P6 ~7 a
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
' b* w1 `3 X) t9 U! ]# |对，就像这样的
1 w( D- A7 n7 T1 x* f( t2 y不过这个看上去还是有servo控制副翼？我是打算全去掉 ...

  ~/ z2 n$ B6 M5 E+ A1 `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* |2 w& E4 n4 w' ?' r0 _
那在平飞的时候怎么控制横滚呢？

: o7 i- T6 W6 G. o跟大疆水平旋转一样啊。% e; J2 @7 p8 A3 b

/ o( _% X. E* ]" E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
; g4 V7 N" s. U, C0 X8 `跟大疆水平旋转一样啊。( A; |* R1 [7 W$ \" t$ D: |

. f; T7 H- C  ?0 ~6 R2 E- |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 ...

( A0 Q3 b& {0 e1 ]) [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! J3 K! \  A) z' 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 ...
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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- ]6 c+ X: c6 A( K2 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 ...

0 U4 m. ]0 e) E- S. h# o1 X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
6 L! C/ D5 Y; g$ G, O) h1 y  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？ ...

) l+ x. i3 k+ {/ Y4 H9 O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, Y+ i* H( q" }" c/ }5 [+ ~
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. A$ _1 {% [& }4 w% F
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 t7 U6 T) l+ X$ W; ?: 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
6 i# E- |/ n2 h1 g; G8 @! x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。 ...
* E2 p& b8 U+ m. ]* t6 i" G, B9 n
这个倒是可能是个问题



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