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[武器展望] 歼-20C的传说

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 楼主| 发表于 2023-2-14 04:14:21 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
本帖最后由 晨枫 于 2023-2-13 14:18 编辑 6 i3 N/ q4 z2 g$ m% q! _+ _

0 ~, Z6 H2 s6 q7 m《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。
7 G+ d0 }9 I( g3 L6 _& t
4 f: Z& L/ i/ V& B( p; ? / N$ N' H$ h* K+ q' V  p
《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?3 n, Z( L: {' _
, m8 G5 ?+ E1 F4 x: J! P4 {
" j- z/ }* X/ u1 }
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/ ?+ K! q1 |# j$ _: s% d& p8 [1 ~

3 |0 e0 E3 S4 r, T( d
  A1 z7 ^  X+ ?! R还有人认真地画出三维图1 D$ z) Q' Q. ?/ M6 r
/ X4 u. }* v% k  [1 ^+ ~
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。
( ~  q+ N$ D/ J- e8 N  `8 l' N. w+ V
3 Q" b) [( G, j. v6 T8 N3 j2 m9 y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。3 _, [. w' ]+ h3 _3 a7 c8 h
% Q5 {2 Q4 g& t1 k
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。6 U' o5 R1 u! M

) B: V1 u: N( p1 O) }( o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。
" v1 W! j6 H6 f& P$ c4 ], s" K6 Y/ ~0 X) s' k
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。
" p! |( @) a$ A  P2 ^1 e
( `6 B3 S- J, X; O0 n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:3 T; Z$ v, ?7 l
( t/ ?9 d& j& [! z. U; ~
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$ `  l, R% H# }4 `6 ?( g0 u5 u2、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
+ h* F6 x; ~! q3、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2 k# F7 _; \, w% P5 S: I( l
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
& r2 w. T  B) L# B  }) a9 i! h* l5、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. J, S7 c7 ?" O7 Q5 k% O" H
) m2 f" I7 z" T
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。# U$ i* _0 `4 w, Z3 O0 N

- j5 M/ l3 W: a& Z" T8 l左右平衡则像“鹞”式一样,用一对喷气的平衡臂控制。
6 d( E7 t! d3 `9 e/ m6 x
6 M/ ~. z+ S- I: ~! X8 O* z, G ( [9 q, X/ K7 Y" z; y+ I
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
1 z( R2 d( W, E4 u& Q6 o3 e- E
( R' O* ?$ r% n' g8 [* ?, G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!$ [, Y3 N& |  E
$ }8 U% c. r3 C7 j5 S, K. _7 v: L8 j
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。
! q! _3 g( \! J( ]& P8 I% d6 W
6 a, g. o) O3 i3 @ % h0 K6 b5 t, H8 K0 N
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
- ~0 j5 i" \0 W# l8 k( S+ _$ `' Q  C
# v. V. e! _& \$ I& B, ?
5 i# d/ k. }) n. _1 S* O7 d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
# D) {# I' f4 @! G* C, A; Z
0 |, }  p, q+ o3 ?2 i0 v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。
  H: \& `* R8 r5 z
9 B7 k7 l) Z8 v4 D; W4 A" _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。
8 d) V; @  ~- b
+ P4 c8 ]. i( R- a. i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。% |% _( B. Y: `# `
8 r# X7 k2 I8 w/ c

/ a, L# l/ q% I3 ?& A+ X/ d想象中的歼-20C将完全占用机内武器舱3 z3 O* Q7 ^9 y
' q% y. ]8 t$ o- ?$ s9 n% L

6 V  h7 E& O0 \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+ o; r5 ]: Y3 s. n+ n7 e. S

% ]; g/ }0 w/ X" X9 c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。
; t; e. A+ U9 e% a: s( U$ R  U  I" z: \4 i. j9 N
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。
% o! Z9 P. Y. W( \# E+ ?+ c9 D; H4 @0 x' p5 T$ `
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。* |6 ?) K8 j( o; G7 L( k% Q
+ w, z' ^/ T# i+ z6 o1 f7 c5 v
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。

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testjhy + 10
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    沙发
    发表于 2023-2-14 04:36:51 | 只看该作者
    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。- I2 ^% w- t, b! L3 y
    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
    , B) D8 V: ^7 |( C, }  s* r( l: _
    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

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    板凳
     楼主| 发表于 2023-2-14 05:28:31 | 只看该作者
    机器猫 发表于 2023-2-13 14:367 _7 _; J; b. P) W
    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 ...

    ! t- j, b3 F# v) b喷气发动机的调整没有那么快,大推力的惯性更大。2 `, c' ^- |3 E7 H( Q% G; z9 {

    $ B) E4 Q# h* |* ?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。, [* g) l7 W5 r; m' U2 B0 l. d" }

    % f+ l! ]5 W/ T. y: ?! h7 t8 F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。
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  • TA的每日心情
    奋斗
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    地板
    发表于 2023-2-14 05:46:25 | 只看该作者
    晨枫 发表于 2023-2-14 05:28
    / q: @& L8 y9 X5 V# P; q喷气发动机的调整没有那么快,大推力的惯性更大。
    . L5 @  n0 K3 Q, a5 H
    & r( t9 v# @0 ~& [& b马斯克那个做法被业界很多人骂,原因就在于这里。他现 ...
    1 w. g, z& c. ~( g$ P
    还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。: n4 r* ~8 [$ m; d2 q6 t
    ! v) x) o" u1 P2 X0 Y
    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
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  • TA的每日心情
    开心
    2020-1-2 23:51
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    5#
    发表于 2023-2-14 05:53:27 | 只看该作者

    ; G$ R6 F1 @8 D0 g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。。。6 {4 x8 _9 q! H$ ~
    5 g  f; u+ n$ x: k' Q% k
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    6#
     楼主| 发表于 2023-2-14 06:13:35 | 只看该作者
    机器猫 发表于 2023-2-13 15:46
    , P# P% q0 p* S5 P$ t- b" r' N还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。
    - E  d- p  f9 z+ l5 d7 ?
    . E0 N6 ]. V7 C8 a' T9 d0 ?$ |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 ...

    - D6 s  j9 |6 `7 X0 s
    1 @% k& \+ |' j8 v1 T1 q& j像这样?
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  • TA的每日心情
    奋斗
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    7#
    发表于 2023-2-14 06:19:51 | 只看该作者
    晨枫 发表于 2023-2-14 06:13
    ( N- i$ c- m7 D: v* R* R像这样?
    , H, g; p$ h4 s3 f' |2 F6 Q
    对,就像这样的) F* D5 }6 A  G% H$ O! k0 Z
    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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    8#
     楼主| 发表于 2023-2-14 06:51:40 | 只看该作者
    机器猫 发表于 2023-2-13 16:19
      t2 U$ \2 O! ]. D! l对,就像这样的7 T9 a2 S3 g7 l0 J0 y
    不过这个看上去还是有servo控制副翼?我是打算全去掉 ...

    + A+ ]9 i  u/ s9 d. p那在平飞的时候怎么控制横滚呢?
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  • TA的每日心情
    奋斗
    2020-2-8 10:08
  • 签到天数: 2 天

    [LV.1]炼气

    9#
    发表于 2023-2-14 06:58:06 | 只看该作者
    晨枫 发表于 2023-2-14 06:51: ~9 O( i; a7 ^4 c' ^- D4 N
    那在平飞的时候怎么控制横滚呢?

    4 b! m6 r* c4 }0 m7 J跟大疆水平旋转一样啊。' [  C0 s0 _: ~8 n% U' z
    . J: B) b8 t: d) z
    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
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    10#
     楼主| 发表于 2023-2-14 07:08:53 | 只看该作者
    机器猫 发表于 2023-2-13 16:58
    ; ]' n9 r) d; T3 C跟大疆水平旋转一样啊。
    % G  X6 Y; ~; [5 n; }8 J6 t1 p# r5 J
    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 ...
    & r: Y8 j/ i2 {. I; I
    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?
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    奋斗
    2020-2-8 10:08
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    [LV.1]炼气

    11#
    发表于 2023-2-14 08:09:46 | 只看该作者
    晨枫 发表于 2023-2-14 07:08& U. z9 J0 p3 U; e  V
    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 ...
    4 y& a+ Q! A2 F- h/ D, ~) e" 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
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    12#
     楼主| 发表于 2023-2-14 08:33:34 | 只看该作者
    机器猫 发表于 2023-2-13 18:092 |* C6 h4 Z# _& r
    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 ...
    2 P- Y4 V& X3 v/ T! f; o# j: @
    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?
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  • TA的每日心情
    奋斗
    2020-2-8 10:08
  • 签到天数: 2 天

    [LV.1]炼气

    13#
    发表于 2023-2-14 08:42:17 | 只看该作者
    晨枫 发表于 2023-2-14 08:33
    % L: q/ w0 d* {1 H! h2 G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? ...
    - k% e: T% f! Q# ]7 k( d% @
    嗯,试试吧。感觉重量应该不是问题,两边是对称的
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  • TA的每日心情
    开心
    2018-10-1 00:00
  • 签到天数: 7 天

    [LV.3]辟谷

    14#
    发表于 2023-2-14 09:36:15 | 只看该作者
    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?
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    15#
     楼主| 发表于 2023-2-14 09:39:20 | 只看该作者
    机器猫 发表于 2023-2-13 18:42
    . V; H- G: C/ K# l& w) @# E嗯,试试吧。感觉重量应该不是问题,两边是对称的

    , N3 P! s: j8 Q2 E' f/ p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。
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    16#
     楼主| 发表于 2023-2-14 09:40:10 | 只看该作者
    r52097 发表于 2023-2-13 19:36
    8 E: j. D' I6 ^5 D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 ...

    $ j$ J" _; K* i( d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。
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  • TA的每日心情
    奋斗
    2020-2-8 10:08
  • 签到天数: 2 天

    [LV.1]炼气

    17#
    发表于 2023-2-15 01:18:55 | 只看该作者
    晨枫 发表于 2023-2-14 09:39- [+ ], d5 |& a$ z# k
    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。 ...
    ' M7 i% z& J' l; w  L0 q
    这个倒是可能是个问题
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