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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 ; E, l7 o8 M/ n  ~9 |& @: Y

4 p3 ]9 s2 A- p+ m5 M* j- 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。# R7 Q. d$ D+ V/ ^/ y# g
3 q9 ^; q  o9 m" H. J

' s, {+ t2 A$ ?! E( J0 @《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?/ p" d& l" U" }: E- Y
5 v1 O7 H3 |9 T* C( k
: U2 f7 X* a2 d' k& m* M7 r
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
+ A' A) X) f; |
1 {$ W1 R$ \0 F2 s" G$ h& @" y . G6 R- S5 e* m; z# g
还有人认真地画出三维图, C& U9 }/ f  ?( Y" Z( p" b
) l6 r9 e8 w  {0 t3 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。
  U* \& ~9 x- C" p) M7 ?
, x4 z# @7 ~/ J1 H% I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。2 K, e# z: F; Q0 h" v7 _- i+ ]( b
- _, k& v1 @1 U# A( Z9 k- O3 @
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。
, c3 v( {' S( A3 r/ i. S# L4 ~! h% S9 y4 z! Y% }0 h
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。
8 O, u% W2 R$ }- T+ _" M
0 x/ p, {7 F$ C0 K4 N; _* q9 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。
$ l  G4 m' s5 o( Z- `& J2 P3 R" X# ?2 ?0 \4 ]; Q$ T
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:
$ d  D$ z- }( B9 g; @
+ U5 T+ e" S' O* @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
: [  A/ O, `: Z2 i; t- Q$ s  h2、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+ y% L* x# K1 i+ Z  _# A* x
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# A1 P4 B- w7 V% g* {% _( L0 S  w
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
% x- h8 M" X# b3 }9 H  C, A5、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
! y- t3 n# N0 q  {. W
5 N. d+ p" O% t7 b8 {0 ^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。
5 q! R( K) ?: M/ t8 w$ f( T# k
: P2 _8 J! W6 c9 o; N: ^7 b* d左右平衡则像“鹞”式一样,用一对喷气的平衡臂控制。
% n+ }, k8 B4 T9 G$ H% F- Z0 n5 J- I) E7 b+ g. \; w
2 h% U9 W+ A2 f1 F0 p& q" S
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
+ `7 p* Z3 a, U9 [
& l5 B! U( m6 s* E! {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!9 F- f, |" W7 u! y( a9 f# \# g: D

! X9 w* g/ m! _- v6 F: n5 A0 Y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。
+ j  a# w5 z: m) c; s) x0 }
* X. d6 O7 ~1 U( m
9 {- T" P" W- E& D. AF-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
9 F* H. U* r1 I9 Z0 D
4 B" [& ^/ \3 a9 @( ]+ }6 p$ e
" @" b6 H8 J' c* c1 z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
1 m7 _" O  b4 N: J  d4 Q7 b1 i3 V6 _0 \, T0 j" F7 p, i
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。) X! q2 y7 O+ ]% k# @
$ M: L. U; R* ?3 k  C$ M0 f
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。+ h) b4 H( B* S0 ~4 E/ U

7 v7 h/ x  p2 V3 a  ?2 r1 h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。2 C# T7 q$ J* k  P( h0 M4 V

, I6 ~2 A( p5 S6 \% v* V
$ u4 R4 v" U1 K# X5 n3 f- R* s想象中的歼-20C将完全占用机内武器舱
6 |: ^5 l& f" D" `- w! M) w  a9 ^. p$ H% J* P

3 v0 C* T6 M4 G# Y/ c! `; `0 _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3 u0 w/ z9 ?/ @7 k& E& e

9 G: k; ]% }* Z$ \, P) ~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。( M: s  _0 p% G# {! p
5 a2 F( o  }# `5 R. @
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。
1 `, Q' g" b  f1 _6 D9 X% Q1 A$ |/ ~/ b! P' I- E; u3 _
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。
- K$ K+ ~# ]' Y/ A# T. v9 M; Z0 K  J7 M
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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    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。
    " q1 y2 J+ r& |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) \. H8 B- l2 ~( f

    , ~: x1 h( `0 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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     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 14:36& K; X& w3 [' g) [5 o
    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 S. K, Q1 Q; O5 z! u% X" D7 ^喷气发动机的调整没有那么快,大推力的惯性更大。2 i7 \6 l* h* \9 w6 y5 N1 W

    : `/ @, J6 z4 E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。! @) J# p8 ~1 f4 b, E0 H  S

    ( `- n5 S* F. [) j$ F- J; |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 05:28
    ( y2 U. V+ o+ ?; F- Z( D/ J喷气发动机的调整没有那么快,大推力的惯性更大。! x! H! o1 o- W7 v: p" i( l' _
    * K1 F3 h. o: Z. P  s0 f* O3 D6 Z
    马斯克那个做法被业界很多人骂,原因就在于这里。他现 ...
    & L2 t' @, h- ]( d5 ?
    还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。, S+ F. t0 y/ [) t( J

    1 o$ w5 T( V3 q% 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
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  • TA的每日心情
    开心
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    5#
    发表于 2023-2-14 05:53:27 | 只看该作者

    7 X7 U* k6 T" \: s( x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。。。8 E4 h  N. G1 e' ^
    9 T2 T, t1 w; [0 D! G: d5 M% n7 U" v
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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
    ; x0 Z4 I3 S* j- S还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。
    # K( _- b5 G8 _
    / {/ O: e3 Z+ P+ e: U. s* A! l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 ...
    + T; W8 T$ a( |- C, r

    3 D% o- ^3 l( D4 l9 j3 Z1 w6 f像这样?
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    发表于 2023-2-14 06:19:51 | 只看该作者
    晨枫 发表于 2023-2-14 06:133 c" Y: ?# }+ f0 @
    像这样?
    3 X% G/ J) M. W' G5 ~
    对,就像这样的# W6 |" H$ l. D2 q6 s
    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; y5 O' l' _. T3 ^# e
    对,就像这样的
    5 z8 [; n8 f: [不过这个看上去还是有servo控制副翼?我是打算全去掉 ...

    " ]. M' R, N6 O. q) Y0 B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
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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
    $ b- |+ m% |+ b那在平飞的时候怎么控制横滚呢?
    8 G! k. g4 o0 g4 J8 e  b; {2 [
    跟大疆水平旋转一样啊。  ]: ]: ^( t9 ~# S9 R- S

    ( q4 s* J+ Y  M& H% s- ]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$ ^8 W3 R) ?4 h$ Y
    跟大疆水平旋转一样啊。
    * z+ v# C& D5 Z7 U! Q4 c3 i$ h  N  U6 f. 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 ...

    - Q) V' b! t2 n+ O" E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
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    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
    , p' A) Z; k0 z. g3 Y; @: R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 ...
    : j0 ^3 C1 M  e* j* C
    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
    1 A; |/ N( b' D/ B5 a: k* 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 ~  [& n: ~( h! t+ C7 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?
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  • TA的每日心情
    奋斗
    2020-2-8 10:08
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    13#
    发表于 2023-2-14 08:42:17 | 只看该作者
    晨枫 发表于 2023-2-14 08:334 ~; k# T4 i" `! A
    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? ...

    * a; k/ x, \! Z: u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
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    [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
    / ~, T: L- k3 z! v& ~嗯,试试吧。感觉重量应该不是问题,两边是对称的

    2 M8 `: o! P1 L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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    该用户从未签到

    16#
     楼主| 发表于 2023-2-14 09:40:10 | 只看该作者
    r52097 发表于 2023-2-13 19:362 H$ o0 L$ [6 L) h/ W" g" y
    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 ...
    : p( l: {, |& K7 m  |4 ^8 I
    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
    / N( \5 M$ o5 y' V: a- C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。 ...

    0 I! Q6 |' `4 P; F8 T1 ^这个倒是可能是个问题
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