爱吱声

标题: 垂直起落的路上布满了先行者的尸体 [打印本页]
作者: 晨枫    时间: 2024-10-21 14:15
标题: 垂直起落的路上布满了先行者的尸体
本帖最后由 晨枫 于 2024-10-21 00:20 编辑 " h! _/ f) D6 l  K0 J+ V

. w9 c  }$ w( [& C3 _! W. M“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。
' c* m& P& X* n0 C' J' x$ M/ q& K" \& |% f# Q- c
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。' {: j4 u6 Z5 P- C* f+ H

& d" J. B0 ?1 s7 [8 f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。
1 ?% k4 g9 a* [2 S# D# P) W
) S" i4 }" |; w+ {+ `! D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。" k! ~3 P& ^: S. J

* m* i/ f5 n  Q( `; T8 @
$ E6 N1 H% T# O* ~1 L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
: G6 C: E9 X: Z6 k, a# y6 y: o$ J4 \5 S
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。
+ ]# M/ {8 J2 ?) X0 F# ?/ K2 b3 O) x6 W4 p/ {% R

; {9 [) }& [1 ]5 P) T0 e升力和推力分离的复合直升机，图中为空客X3
- Z8 `; W" d: v( Z8 c5 `5 s0 G8 D
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。' H/ ~2 |& ^, H! x

9 f$ l+ `; W' g1 P8 \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。
! Q/ w& X5 k. A2 w6 [
- s& T% s5 o. f- `. G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。
0 L  k& f# i6 U. z1 t, D
% r9 R) j  ]: Y# C- K' q) w9 }/ \4 j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。
9 T! r8 @4 m: K0 {- L& T0 @" P# B) f% i& W; w
  b0 i- V% F5 \+ \4 `. W: q$ L
幻影IIIV是典型的升力-推力布局, d8 j# B5 [  |4 W+ d9 [
" G/ w) ?( C5 m" i

3 g  J: n: W5 x6 F6 [% `) w" W米格-21PD实际上只能短距起落，做不到有意义的垂直起落9 O" ?$ n/ b5 n; A- w- {; D

! B6 l/ n: A5 u* y; V2 }3 u( n$ g$ W- }  d( J+ R0 P
“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: k& G: i. u4 D2 ?6 @' G9 n
! O1 Q# r1 Y; T* c8 X
0 E) v* x! I( H; f5 @
F-35B是升力-升力巡航布局的代表
( l2 i9 ]  D: _; c
5 d5 {; F: F7 `
- l; J" ]7 u6 h3 C& L: ]% v% h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
* W; _) k- H& X2 g+ M2 w2 L) X) w( \, ]' B! {+ Z& X9 q
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。- Y" j# G6 _, C( W2 S$ P  Y
8 I$ ^- e& e0 V5 p( Z) {
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。
  H% p) a' A) B0 L) _- k  ?' {
  H# b- q% z5 @3 g: ^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。
' v1 }" s" b) U+ q4 Z
$ ^  `. z" |( |  f- h# y' k  ^9 z5 L7 q, x4 k
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
8 c0 ]' j1 [+ ^5 l0 w9 T% a4 ]6 V8 A7 I* Z9 u, V4 o
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。( I" U8 U' c, T

/ P9 u2 E. a: s4 R1 r  q0 }但所有这些布局都不能避免一些共性问题：
' q5 \; i; Q1 s) l
. i- E7 }0 O) k' s: U1、炽热喷流
- D/ Z2 C, [" N1 ^5 Q/ n
( U2 P: L' L% r4 R; v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。2 w. I. T3 v5 ^7 y' V

0 M& S, t  f9 L9 ^3 F# C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。0 `6 ?# E5 ~, _

! T. ~! S# ]9 b! Y2、高温废气回吸
1 b3 `$ h- @% t# j$ t
; a7 B' ?, {6 v# r( ?9 F! Y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。, U! I% _/ ~+ [* J0 b- C- z0 g

" u" S& r1 [( u" t3、喷气在地面横向流动造成的对地吸附, U! O1 l% P) s
/ y+ H" M1 x( ^* E
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。; g; t& x7 c) m! [9 d3 O: q

  q) R! I  i7 o0 A/ @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。: z/ L0 q: W/ _

  f7 A) s6 W$ @; Y; F" ?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。
+ C9 P8 Y6 [, j7 R$ _- I6 W3 _. s. b$ e4 p8 C: ?  w( s% |) `
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。
* A" |$ V% J5 a) a8 U
- f% d1 f# v0 b( b- `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。”) j) J9 m/ \2 I' S
* e& [. q" ^2 G0 f' s, t0 l
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。
作者: togo    时间: 2024-10-22 02:59
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。
作者: 晨枫    时间: 2024-10-22 03:03
togo 发表于 2024-10-21 12:59
$ @- j$ G- Y9 P2 m+ d2 z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。 ...

; w0 U0 p( u/ @; C# _4 QSkyhook。对接的要求太高，实际上不可行。
作者: 雷声    时间: 2024-10-22 10:34
togo 发表于 2024-10-22 02:59
; b4 O+ [8 |7 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。 ...
/ P$ [/ n0 g& N: u: _' p
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。
作者: testjhy    时间: 2024-10-22 15:24
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，
作者: 晨枫    时间: 2024-10-22 15:31
雷声 发表于 2024-10-21 20:34
5 l- I/ Z7 B7 ^0 ]! [. b5 h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。 ...

. D8 k6 ^( x& b  k6 n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
作者: 晨枫    时间: 2024-10-22 15:32
testjhy 发表于 2024-10-22 01:24
* L( t2 A  E  l; }5 t; @9 e- B. j- X( _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 ...
. n7 V. P+ |" ?* t$ t3 Q  z# }  m
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



欢迎光临 爱吱声 (http://129.226.69.186/bbs/) Powered by Discuz! X3.2