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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
1 R! C: E7 l- G5 d: s
8 h' n0 x6 E4 m+ `# K( K《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。: b# ?  u& S( L" C$ [0 d& U$ i1 P& i

. |" s: T& ]. }( S: o: E
( ?4 w8 X' Q! [9 ?《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?7 b: ~( v9 \# W# R1 `4 P, c

. S- w: r: s: e2 N- @# ?) z! ~5 ~) ^: c ( ^+ s- j& ]9 w
在电影里,歼-20C是可垂直起落的歼-20改型,在思路上接近F-35B1 r7 x, |! f4 i! I: L/ ?, a4 J' E
, J' r4 w+ Q' j

: k" G- ?2 w9 R4 {还有人认真地画出三维图8 k* N1 B+ y' X$ [8 h- f2 D
( {' i7 k1 F0 s3 g5 `. O
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。
1 p( S. F9 N7 ?; p: a! W
+ k; C- \  S- t. W+ W6 o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。6 r' c9 f+ K9 E& G$ |

6 S9 `4 w6 }# K: J) z2 p, T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。. O/ I/ X  _3 G9 d# q5 J$ ~2 n

, V% o6 _, X6 Q" W/ O* T. L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。/ m4 ~: I) X+ |' P
% S9 d3 v; Q) o0 m6 q$ T
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。
& v+ @3 I; L2 L/ u% u3 u1 n
1 d' B1 d' m/ `- d+ R( E- g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:8 H5 E: s; G- X9 T! K! T9 {/ Z
% E: Q" r! O8 _
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9 S5 w2 y4 G9 ~6 D! x; e
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
2 s& W6 a9 [  b/ C: r) L: M3、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
% d; u' G( ^( }; c2 g0 L4、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' n; Q- u7 s- A. z' }" N; k
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
- z& o. a7 M' `( Y" n7 `8 m8 I1 N2 J3 d; O. x0 K' v
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。
& I: z" Q( u* ]3 a5 W2 h  c7 q9 F! P- y/ G4 r
左右平衡则像“鹞”式一样,用一对喷气的平衡臂控制。" P) |7 Y2 x8 ^# S3 F) p8 M

, L3 w: J" g3 \% U" z. [& `
0 C. }8 W5 n$ n. L- oF-35B作为最先进的垂直-短距起落战斗机,很自然地成为参照+ _7 V$ \! N$ @+ C# h6 a4 W" w# w

: u2 W9 D+ C6 `9 |2 V  x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!
- n7 r. M+ V' L! y9 O1 P& O7 i& ]( b3 W
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。
0 n! e% X4 M. \+ H( n) E: y( ~  X! {, i6 n+ h

1 F0 A. e0 u% v/ K" G* \( YF-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  W4 O) P% X% r! ?: r

5 o4 V1 E" I; p: } 9 }' x6 ~- d) ?8 s" C7 \5 a' \
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
8 b5 n3 _3 g; x/ X# b3 E! a. [/ |; R& W- N6 I5 E
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。7 y6 ?2 w& I. B$ d- O' ^9 O
5 o1 E( S! M  i6 T9 o9 z  R# ]
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。
, V# w; O( U1 F. B8 [9 E! d) `( f! i, R, }
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。
6 n1 |5 W$ r' W1 \
$ W. x8 y" V+ C  g$ F% u9 n
# X6 t0 s/ W, |$ i1 ?  J! L想象中的歼-20C将完全占用机内武器舱2 V' K8 h! J. x
& n# [# f1 i9 E! M- M/ X, G
5 D9 o" s# m5 x9 n
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
4 u! o6 a; B# f" ~+ d# w; r% h, L- k5 @
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。0 N$ P% |3 \7 @: j$ Q3 }# w' p/ t
7 z7 U- V9 \5 t! u; p
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。9 ?! Z1 Z; M- O8 k

7 U9 i: f* U" L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。
' C: T* g* ~: l9 i$ @
4 `0 x! y& o" `, g  ~/ i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。
    : u7 S8 N* j8 c9 I5 ^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  ~+ i; b* b1 L) t, p+ `  t$ Z

    : n. p- q. O, f7 u5 n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 14:363 x! X$ r; X! c
    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 ...

    / K, a* x5 I* J0 s2 H7 P喷气发动机的调整没有那么快,大推力的惯性更大。
    4 {. P+ [' y; _! U& v
    4 U/ m$ U3 l7 J/ K5 z0 |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。- P4 L4 g; _# {1 Z2 H/ e% I# H" r
    # M! U/ a, _$ s! P$ @+ A* M5 Z. P
    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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    地板
    发表于 2023-2-14 05:46:25 | 只看该作者
    晨枫 发表于 2023-2-14 05:288 n# {$ v  U) K' f8 D; k3 Q9 m
    喷气发动机的调整没有那么快,大推力的惯性更大。
    1 d* e4 L5 i5 U
    0 W% T9 f+ S" t8 R马斯克那个做法被业界很多人骂,原因就在于这里。他现 ...
    - _! d& c. o7 u- j
    还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。* q  K% ~+ q$ |; ?" z) \
    7 s6 W4 O" @$ v- W5 w  F* r9 n5 |, q
    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
    3 f( a3 X' m8 ^5 N3 j: D4 o
    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。。。! N4 T* A# d. B- n, @$ Y& Z

    7 h! V, p) q+ n
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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
    0 p- q7 U& q+ I* h还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。
    # N8 K; x8 _: M& a; V/ ?- l, s& |! V# O, i  Z: T3 h
    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 ...
    ! ~6 x- O  m+ g1 d' Z# V. W

    5 G4 b: M, h3 I. G2 P# I像这样?
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  • TA的每日心情
    奋斗
    2020-2-8 10:08
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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
    ! E( A% A8 S1 F! ~像这样?
    , _& W8 j/ N0 Z9 n
    对,就像这样的4 q0 g% a$ {$ K+ c
    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: E( S/ {) b( a4 Z
    对,就像这样的
    : ?( E! ^+ C+ V9 p! e不过这个看上去还是有servo控制副翼?我是打算全去掉 ...

    ; g' q: [- U7 g7 l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

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    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- |$ J$ u: {2 d) M3 V  G/ R
    那在平飞的时候怎么控制横滚呢?

    , w& _: z* z1 U7 q& x4 p/ H跟大疆水平旋转一样啊。
    - b" ]. y* }( Z0 Q; M
    " {/ G9 v9 c/ I. C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: A2 P. ~4 H! m3 N+ b8 s1 f
    跟大疆水平旋转一样啊。
    * f; l( Z1 u% z, {: @: a' }) B) _5 t8 `( ~  k; W
    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 ...
    ; E9 w4 N: u8 J0 N
    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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  • TA的每日心情
    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
    $ W: O( j- f3 F( y: E- n' 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 ...

    5 s1 r1 e" H1 y$ Y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 18:09# Y) V8 t: m8 S& @* H' w$ }
    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 ...
    9 C4 O$ m& z2 J2 G; P
    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
    0 R$ ~1 Y0 d, ?, r: R$ L& L( k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? ...

    - [0 X% m7 [9 B9 A/ L) 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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  • 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 18:424 c, x8 c- j4 j- _* m. O
    嗯,试试吧。感觉重量应该不是问题,两边是对称的
    - J2 @( m& `1 U( r7 X1 o' 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。
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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
    7 ^4 l' k) u! B" h# W! x5 U+ M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 ...

    # r% L- S9 e7 `2 h* b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
    # y4 d$ G$ {6 S7 i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。 ...
    * r7 h+ [' m6 ^8 i1 ]0 y% B  P
    这个倒是可能是个问题
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