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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
, m) H- x/ N& r# h' }( O/ L/ Z: S( M4 Y
《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 d9 J9 T/ [1 `  w

" O8 n. q& ^+ a
( F$ V% B8 N2 Q9 C* |9 B: }《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 [) y# v8 o; L  i
9 o2 b* C9 p" P5 V

7 K" s" b4 O% G) R2 i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
0 R" R5 k1 k$ u
" X& B* j; F( b) h7 F4 ^
/ `0 ]  }5 b* `0 n: r( k1 v还有人认真地画出三维图
. ]+ I1 o4 @- q# F8 \$ ^5 i; T. e! ~4 I$ A( _: S/ k. j( r' h+ }" n6 W2 L
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。
  Z2 C8 g, D. a" X2 G- F: E, ^$ ?' z- a' s' R* W6 C
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。' D8 L$ D: M1 B3 l

9 K/ a3 n- O( T3 o' E* H6 E. A2 t1 F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。
8 F4 s) ^( Z- O, Y$ A& g( P! b. {( B+ H- A4 v' U, \- p+ }' e2 U- R) q
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。
( T9 y3 Q) v6 R1 K) {' O0 \' }+ S& Z1 n4 y! v
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。" b& n2 \7 O& k0 i

2 f6 ?2 J! R: C: o8 ^) h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:
( Z" k% h* Q4 q" H5 I- [) D. J
  f7 e2 s* Y' R/ z' Q1、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0 y' ~/ I4 X) Q0 U/ A% V% V9 I  j
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
5 c% O8 \% d) x7 z$ X5 D8 ~. w3、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
* G% q1 g) c( X0 [  ?9 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
* t# [  R9 d( G6 w) u5、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* p4 j' O2 L" m/ D

5 Y# q. W+ ?' ~( R8 N0 JF-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。
' e2 |5 O7 v: [/ n2 ^0 M) ~  E# L) _2 Y/ F) ^
左右平衡则像“鹞”式一样,用一对喷气的平衡臂控制。" v/ D) b+ l- \5 _9 P) `
2 Z, _  m" W) z+ y' P! A2 J/ F

; _1 I3 t: x. z9 I) s: F/ XF-35B作为最先进的垂直-短距起落战斗机,很自然地成为参照
# z. j! @6 {) D
* g3 Z  }# j* e- Y1 C; F, M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 o- c2 P! R: [" X1 D* }5 X, ?: T  y+ @
8 T0 N% i% x5 Y+ C3 |4 i
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。1 U+ F% q8 z% c4 w
& L  m- q/ q& K

7 K2 c. h/ W+ UF-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
1 N, y/ w* `9 O) n+ @! Y
& p1 s& Z% b$ s; m
* f- W6 O7 }7 l% c) U$ `0 p$ M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
) m6 k7 K  G# x: ]) W6 E# E$ H8 d0 M" G
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。
4 w" B/ s% z9 [6 @" C) ~
& f3 C% W; d! ], t( H# b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。9 H$ _/ ^/ x& A1 u7 I5 r" L3 Y! Z1 M2 P
0 ~  `* @, T4 r+ [1 P
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。
  y9 {2 G6 X" E1 `8 o1 ]9 d" R9 e* }/ i
/ x$ B4 b- c# }" u1 S$ L
想象中的歼-20C将完全占用机内武器舱
0 k) |0 R+ e- d* s3 s  w% i- c3 Z1 ?( v. |" h: K) I

; s/ K# g6 U- T! a0 k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# t3 z3 Z; q/ X: A$ m1 q

6 N8 R4 F: G: h) T6 K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。; `# A. X" `) G; t

$ _5 [8 K* I, L* [: k# z: Q, zF-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。" b/ q. z& x3 N/ m
! S* h* |; U% M9 S0 m' I: L% \0 ~6 x
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。
! j7 I$ _% \0 t, A/ d* |$ [/ g7 R
4 m& R8 V! ^# q, _7 s* L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。5 x2 Q/ J3 x! o9 O1 n# k& H" r2 j  h
    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
    ' Y& O7 x: \3 n. l3 L" w
    + K/ \+ x1 K7 h, A5 W) K& [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 14:36
    ' y0 G1 d3 k/ ?# C: }' d" d  m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 ...
    / V3 @! b7 |- h7 l% a" [
    喷气发动机的调整没有那么快,大推力的惯性更大。9 X9 D6 q6 L- B7 [' n/ O
    " b7 \' Q( a$ D3 W
    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。
    6 V& z6 E  D$ N( m0 C7 w7 l) C% G6 G" a& e, v# N' H: Q
    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
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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  X; d4 w! M6 q' n) U5 @
    喷气发动机的调整没有那么快,大推力的惯性更大。
    : g" Q( S6 T+ R3 N! [3 |; S2 B: k- z
    马斯克那个做法被业界很多人骂,原因就在于这里。他现 ...

    # M) k! w" F5 T. c8 w! [1 y还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。
    0 `; h; f& ~3 x7 X  w: @. H
    6 A. F9 P; N* l' g* g0 e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

    0 C8 H; I( r- k" m# n  g0 m2 E! S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。。。
    ; n+ @1 a  z1 a/ {% J- w8 P. w& K. X# K2 @  O
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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
    : S$ e6 f3 o0 u# q: l7 Q还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。5 J; b! L: y+ L- i- t4 M! v& w

    % ]4 Z) v' N. O+ t- 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 ...

    1 X6 Z$ H  D/ [+ Q  `9 O' N( p
    * B& `) |( r) Z7 I3 Z7 L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
    8 Z, r/ B; ^" ^/ V; l像这样?
    $ {& Z% |" k  b" E8 P, I4 D! U; x
    对,就像这样的. f" b6 P: }- {# C3 P
    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( t  V+ W3 ^( e( h
    对,就像这样的
    * T6 `" D. Y" x6 n% H& M不过这个看上去还是有servo控制副翼?我是打算全去掉 ...
    / |$ W: s( m: q& p6 c  c
    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/ c' M* `; ?" ]9 ]. Z8 h
    那在平飞的时候怎么控制横滚呢?
      A6 K& T7 H3 R0 I# p
    跟大疆水平旋转一样啊。
    ' o! M/ ]0 q. n! ^
    ' X+ _. s( R6 R. \8 |& l5 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
    9 ?" i! Y+ o/ r$ P: A  Y跟大疆水平旋转一样啊。
    4 ~. k6 Q$ [4 ?6 E! v$ z0 J$ {  \0 W- t# ?! p  u6 L5 @8 [
    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 ...
    . g" ^) L6 I0 v  G& j. a% 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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    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! W0 X' |* I9 G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 ...
      x0 J5 x) `& l" l
    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+ e: t* S6 A: B: a
    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 ...

    * f0 E1 g) z8 O$ M5 R+ [) t6 F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# `8 {6 b" i5 q' f' D8 Z) 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? ...
    * b$ ^4 g% d) L5 M6 }0 B
    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
    . R0 ]9 C- z2 o! n0 G# e嗯,试试吧。感觉重量应该不是问题,两边是对称的

      L4 _  e, z* 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
    + C* k  }$ y+ @3 G% x  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 ...

    4 ?8 |; C  @- e2 A0 {( o8 m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 y* D$ j, F: G. m# [6 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。 ...
    2 f1 _( N0 X* N: o: J' u* F$ C
    这个倒是可能是个问题
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