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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 9 u4 l% r/ D3 H' n

+ a+ m0 S9 d8 A3 ]$ V+ A" l《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 j  y7 g3 a( V; \# ]; d
( F: ?( [% [2 U, w$ L
- X2 M* ~" y% K" I
《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?8 i  d$ c" l  h! W% V( R% |: z1 @

7 K3 m  O! u  U' v) M/ y" E ( i4 B# q/ r9 R1 z  v5 [, O3 L
在电影里,歼-20C是可垂直起落的歼-20改型,在思路上接近F-35B3 y- k' d4 p9 j$ E4 X$ w  Q
5 Y7 Z- k# V& P, W& U

+ I5 t" i* S3 Y还有人认真地画出三维图
, E3 [" }8 J6 C# V& L: c' ]. W, q- g. K, E# ]2 R3 D2 ~7 @
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。
: d% j* [  ~# E5 l
2 q* T3 v; H0 {3 c8 \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。0 N; d1 j0 _1 v5 o
# |& p  L8 z& E. M9 A9 s( r: v
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。
; R3 q9 J5 _/ n: m; g# O9 ~6 I* i5 Z1 n7 t2 t; X' Y
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。
# h( H, j: ?3 Z; ?, f8 t
8 n; S& N) U, I+ S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。
/ Q9 X* d% L; M; J+ v" }( }% O" F* \: R. z) @. U9 @) Z: u, g' 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:
; }4 {/ J$ c% z- c7 i2 Q* Q, \+ z5 X9 N+ j1 g. 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
/ o; f# |" y4 B& J' S5 S+ ]) M# G0 G2、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
0 i, i! ?& }1 r& e) Z3、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
1 K6 C/ ~( E) u4、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1 Q: h( V- r* g) H
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+ F* a5 Q. _. W( h" b
2 R0 o4 @  h# m' \6 Q  @$ ^
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。
2 y* i( ^/ P1 p% U7 {2 _) N2 F; L6 x% t6 x9 B
左右平衡则像“鹞”式一样,用一对喷气的平衡臂控制。! j3 s4 \! T. s0 S  x, n; j% N

+ U  P5 n2 p) B( m. \
% }1 c. z" a, AF-35B作为最先进的垂直-短距起落战斗机,很自然地成为参照* N: a8 X* P9 N  s

, W/ E9 n  a) u. j; r6 I- v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!
1 n4 z( k4 M6 |6 S9 o4 X9 F  p: a6 }! R( [  c: O
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。
4 A9 d0 `4 {  D& _9 j$ e) g
3 M% x$ h! j& d / n9 a7 @! E' X& K, H1 ?
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
2 M" X' G- T$ s5 h4 |- W# q
- R/ \  e7 K  a% o4 \  r& R
% L, }* s: n* T! {' 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
% y2 o5 |+ A8 m" m+ c4 G( }) h
8 a& Q1 c) b# U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。
; S# ]/ g+ H- b. z7 p. `
8 ]5 ^% x6 R! B* S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。
$ E8 a& }0 y. h. }2 d- ~8 B9 m$ \  w6 E. o9 z1 J5 B
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。9 c/ G8 G! J- Z& M, s

( @0 B! D9 |( G3 O2 b 4 I# V# _! T9 l; V
想象中的歼-20C将完全占用机内武器舱% S# H4 _" X6 g( Z4 M9 k% L

/ o4 H) C" o7 u/ J9 r" L
1 x7 A8 u; l/ x4 U" v: S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
! g/ a& s' M# P) y. R  F0 V# r! t7 q, }: `( e
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。' w& v2 {9 v4 i) O( y" o

: D9 ~, n9 Z, K% E/ vF-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。
, s4 u, j- z" v4 A, y* G1 S8 M) N6 s. `1 |4 ?" p' 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。/ h3 d0 j  u1 G/ x
: ~( z! m" S7 O+ o5 d
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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    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。$ [  o9 R+ d" n! i. ?: P: g
    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3 _, O" _7 r! E

    , m% f' T/ W9 ^. P# y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- [' M8 d3 L- \* Q
    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 ...
    2 l/ g6 U7 X" f) C; M. G7 @
    喷气发动机的调整没有那么快,大推力的惯性更大。0 n( e6 I, t% ~% q6 g
    * p* {/ _$ q$ U- B1 e9 s1 K
    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。* b1 `0 M: b" l/ e% b8 V( f" Y7 a
    ' _  X( ]( s3 Q+ y6 D
    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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    发表于 2023-2-14 05:46:25 | 只看该作者
    晨枫 发表于 2023-2-14 05:28" n5 e, Z' J2 E: K
    喷气发动机的调整没有那么快,大推力的惯性更大。5 B+ R' e; w. o- ^7 X) J( y/ y+ U* o
    6 I' ?9 ^: Z8 m" {+ d( m1 a/ i4 Y
    马斯克那个做法被业界很多人骂,原因就在于这里。他现 ...

    0 n) z: s6 I# R8 r/ e/ p还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。& w; z5 E7 }6 b& H1 s
    : e# G- s) Z& ?, j1 m: g. V
    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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    发表于 2023-2-14 05:53:27 | 只看该作者

    9 E; z( Q, J2 X7 g% 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。。。
    ( f0 A2 O; E3 M6 A! G/ u; C; D4 H7 k# c, _
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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
    ' k/ X* O" e. v2 w9 T+ l6 f还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。
    ' A# o* O( a$ ?7 ?# R# H+ G% f0 k$ g6 K
    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 ...
    % N3 ]  x; y: z
    7 N& n8 B1 |0 ^3 E" |; a8 q0 a
    像这样?
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    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
    / T+ k4 ]# `) {# n  [$ ?# n1 y2 M& l! Y像这样?

    & h8 r/ T* U0 U$ W5 Q对,就像这样的
    4 [4 B2 @- m/ g  M1 [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
    & `: ?( P/ {* [+ W( g对,就像这样的
    ) K% h; |6 }" I0 B' U$ j6 U/ H不过这个看上去还是有servo控制副翼?我是打算全去掉 ...
    7 S- q! A% p8 L+ T  J+ m  x; I
    那在平飞的时候怎么控制横滚呢?
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    奋斗
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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( q9 Q, x7 I  T$ N
    那在平飞的时候怎么控制横滚呢?
    & C8 |: W* z3 M6 y  Z' N
    跟大疆水平旋转一样啊。6 l( u4 [# }0 }, C* {

    + A0 r- B- b0 n( a. A+ A! K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
    % y8 I$ z) H+ }3 L' B跟大疆水平旋转一样啊。
    8 e9 b! c5 N+ ~3 {$ ~  u0 z
    / v; |" {  L& x* ]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 ...

    % ]- ]' a5 U6 M* @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( h& {0 m1 V  K4 j, L
    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 ...

    : r; n8 [& D( c3 {8 h; g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
    . N$ J2 s  C2 w3 k3 S+ i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 ...
    5 k! @- n5 i) R3 w* L1 d
    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! M4 N% u8 w$ M6 P' I
    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? ...
    * G& o1 `0 D4 a1 f
    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
    ; M% R. B* r$ h$ |/ l: r' [嗯,试试吧。感觉重量应该不是问题,两边是对称的
    3 v5 K* D5 z2 Z3 _2 M
    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/ h, c" E$ N" ^  ?$ o  [, Y1 z9 f
    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 ...

    8 J9 V* G; k7 y0 F; ~5 p" n, G" \3 L' V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 09:397 A1 i$ n+ ?' ]/ K- t
    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。 ...
    : I) ]; C( h6 X5 t* _: [  ~7 I9 N
    这个倒是可能是个问题
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