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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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/ _9 n( D, v# Z《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。8 J. M) Y# x# m2 t! n6 U

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; G1 A8 I* j" N+ }《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?# `( m7 R, C: |' V; b0 a7 u
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' Z  L- C# z* V' m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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还有人认真地画出三维图# E1 a4 b+ E, x' ~- H

8 u6 |' s6 u* k: I( S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 j$ N3 J+ C& k0 K, h& }7 r3 t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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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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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。! ]5 G; p) J/ S  l7 V; s

/ l0 N4 S$ Q4 e3 m# n  N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。2 |+ n# K# Y! B. t% b0 R9 f

7 Y+ J& R& k% M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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9 K( L- K( r( O) e: Q6 {: }, V' S! z0 ]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
* |& W- `9 E* S/ q  b; w2、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
5 C1 C4 d8 ?, I, C3、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8 f0 `% ?# q/ O7 \: b$ T1 r
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) A( l, a6 j/ g4 N1 m
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
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+ u  L. x& {0 J) jF-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。
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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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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# `) p/ M  ?7 L' v, O

, P) c4 |: U1 M) s5 c, N$ }4 h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!
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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。
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, _3 \* l' x1 j2 C8 [4 rF-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 J9 G- f+ F: }3 z/ K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# p$ @* x: z% k  i1 {5 V- r) O

0 b$ H9 M- E7 B8 {+ M# D- L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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3 Z! S9 `; _; s. c# I& B# y# E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。( D* u5 [6 e% g0 Q, t/ z

5 O  i' h3 d+ Q9 w5 a; I% {* G0 {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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想象中的歼-20C将完全占用机内武器舱
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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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5 U" h+ g1 W2 n# i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。. c7 ?9 N3 Q4 F% _' g
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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。
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7 _0 p, g2 i6 ~2 |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。4 G* u2 I, I" c! i
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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。- M0 K) b# t8 H) I2 T
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+ X* E  p; z! V/ M$ A. O7 Y" f% }
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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, C' E. T. D* H; i  _
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 ...

' Q- H6 u- Q  t9 q% Q/ s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。
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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
  ]# S( E% C/ ~4 V  z5 j喷气发动机的调整没有那么快,大推力的惯性更大。
3 V0 _0 @7 m8 J; d9 j) v8 _8 A$ D  g4 W9 k4 L# l7 t- i& B
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。: U- t5 ]) e& b* x: @

, [, K$ h+ b) t! T  u5 x; U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

: @7 g  ?% ]. |7 H% a2 V" @) T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。。。
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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 g: Q9 e3 r# K( p2 L7 W5 G
还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。" t" c# f' Q1 c2 @4 [% o% V
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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 ...

& Z6 W* g* n: t& f" ]& @  T3 g% M8 x# w5 `- G: ]# e
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: l2 H9 o4 K, A$ y* a
像这样?
4 A7 i. m- e7 U, m. R
对,就像这样的  u( \; b( b0 y2 n8 L. l2 O
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+ ?: j- @$ d- R! O' ?, j
对,就像这样的0 u' T7 m1 W5 J0 Q  T& `3 v& u. d
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) X, S/ {# H! ?+ v! f1 j1 V
那在平飞的时候怎么控制横滚呢?

$ M/ }! `4 m8 r2 H7 J9 s9 Z跟大疆水平旋转一样啊。
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9 a5 g  _* S9 F1 T4 e9 W: t4 p( 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 16:586 \0 }$ I9 l6 i  j( \
跟大疆水平旋转一样啊。
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3 Z, r4 c) [+ ~5 r7 d+ 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 ...

6 Y" g) _- O. r+ p" x( b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( p* {. Z, ?2 [. [
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 ...

$ U, ]1 M8 Y9 J9 U! E( n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
3 Z! c6 n6 ^4 ?/ N& k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
$ c; Q1 k3 [' O" }1 s1 T) U4 [1 A) B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? ...
/ C* A7 U1 ?& G2 Q$ D9 G8 M
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, G" ~: C7 {( f# z
嗯,试试吧。感觉重量应该不是问题,两边是对称的

, U0 ^5 E7 R; x( b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
. s2 @) V+ b1 J! I# T, w1 e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 ...
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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 09:398 O9 G& u$ n- A, e; L" P+ N" F" s
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。 ...

& q4 W1 ^# v& ?. P5 M7 K- \这个倒是可能是个问题




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