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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
: ]3 X. v) _& r; A0 i8 c8 u
/ u* U, O4 p' N5 V& p# c- 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。
. J7 K9 s! e9 g0 z+ z% d- ~9 m+ X5 X  Q

9 |  W1 R$ \4 T" k《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?. |. g6 f6 w+ J' ?/ ~* m4 z
  z+ x) u% S, E' l
! ^4 O0 X$ r: j  H: V
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
( W4 z3 _- H. z  K, s5 v
8 }0 l9 {" y/ o" g   U: Z* t, C; y3 {2 H
还有人认真地画出三维图
) I7 G& i' H6 l7 b. g7 p3 X
" w# A- i, Y6 i4 N+ E; C4 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。
6 J3 g- b& }$ v; ~5 u; d5 j
- G& r) Z7 S; F6 U: x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。
% ^( I! }* n8 t1 k) b# S! t% j5 c. 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。+ b* K/ ?. R/ m2 U* T8 M
$ Y1 o8 \6 ?0 f0 q/ 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。
1 I& I+ `& u$ ]& K6 g9 n' d1 D
. G$ b) \) ?) G4 c& C3 [$ I+ f" Q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。
8 N1 `/ _1 [. \% ]# u* N
  b- X1 j( G: ~; \- c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:2 `4 y3 Q* f( \4 U% W

) l$ u  T( t6 f; v5 j/ `- }7 G1、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" a0 p+ k) r  U3 a  ]8 ^0 w* B
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
- o' K" r- {* w7 ?2 Q7 i& 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, P5 [5 `0 ]1 {
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
  m8 c( n0 F% Q2 S' U7 O: ]) K5、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
9 @( @8 _2 Q6 w: W0 C+ ]1 ~- h  q# X5 A4 w( G  l0 j1 y
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。
0 I( i: [& P; j3 C/ }# i- U- \# M0 l6 @
左右平衡则像“鹞”式一样,用一对喷气的平衡臂控制。- z  h- ^( J/ A
0 c$ R, y. U; A9 E1 ?

6 a0 Q9 Q! d6 T- m$ K) HF-35B作为最先进的垂直-短距起落战斗机,很自然地成为参照# r4 W* G) d1 Q9 L& B  ]4 z4 ]5 N

! X7 K# t& N3 \; T8 w3 t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!# K5 H6 t" {1 c- ]& m
. {# P/ [0 V3 D! e
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。
: S4 H# n) R9 Y1 ?: t" Y& i" _% Z6 e- \& I5 h2 t4 S' x

8 c* q8 Q8 x, P" o- \3 _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/ `- ]' t$ s& I# n8 H) M7 j
# E7 R0 e" Z' [/ ]% w4 l

+ V6 Q5 p' e4 m6 J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- y& O2 w3 Y$ d- X- l; |/ j

2 {6 _4 a1 v) Q: l$ B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。
) A. B% h2 A: }
% @2 s! m$ G( [) w1 L2 h. ?& }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 e9 c9 {5 g0 P3 x  v( b4 }
: l5 S$ Q2 \) s% `. N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 s/ c  E* m8 |( y; W" h2 ?7 l

- N( j: d% i1 v! V0 G' T 9 [+ I1 c3 t7 z
想象中的歼-20C将完全占用机内武器舱9 n$ r- L) |  \; u7 s- v1 g

9 `) @* `" g: e2 j5 S) ~ ' a/ v+ W7 p: Z& [, }" L
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! d8 \$ _' c0 H( R& \$ c

3 X6 h% |9 r! w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。# b& E6 N) P( y1 n$ G$ C' K
& f, N/ A5 b5 g0 ^" |$ B1 E! S
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。
. N, F; J& H3 _2 m9 D2 Q
6 p$ _4 b3 `# ^0 D% k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。
2 r0 R# j$ s3 Z3 O1 u2 i, ?( @: j9 K  R0 K; A6 H
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。
    / D/ ]7 {3 \4 E! g8 j9 P8 \3 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. `# j6 c) c, R$ q; _

    * j- S) h) Z. K8 [+ c# j4 |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
    ( L' C, ]8 H9 ^7 \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 ...
    8 f/ H: [2 G$ d" @' q# U1 b$ Q
    喷气发动机的调整没有那么快,大推力的惯性更大。6 A6 G8 B& d6 u* i' i& d& C
    * {3 m( M; S: |3 x" z% B4 s
    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。
    - x. }+ d4 w' N& `
    2 d: C0 Q" P: G7 W9 N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
    ; u5 a- c- y" w+ `" S# }: I喷气发动机的调整没有那么快,大推力的惯性更大。  m1 V" l! K/ H. h

    - m% C# ^, z* Z5 v马斯克那个做法被业界很多人骂,原因就在于这里。他现 ...

    / W8 ]5 h& U( B8 b8 ?0 w3 T还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。5 |5 n% F5 }5 c. I
    ) G, R: O3 A- \- E8 ?0 {. B5 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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    [LV.1]炼气

    5#
    发表于 2023-2-14 05:53:27 | 只看该作者

    : {3 |# |: l* C$ ~" 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。。。
    + R) @3 p3 u# P: D* G7 V3 G3 C& l7 g) L; q; w9 m9 [9 }+ A/ v9 c0 u7 `
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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 15:463 d7 R, g/ |& `2 @6 z4 v
    还好吧。现在还怀疑猎鹰-9可靠性的应该不多了。
    5 F/ K( |! h" ?7 _) s4 s/ P6 i+ V/ H
    ' h# b% J. a) k0 k" T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 ...

    7 S% @7 Y6 F! ~( w% _- ?6 ~
    # q! [% b( [$ g* S: X4 N像这样?
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    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$ @( X3 M. c8 A$ d1 I
    像这样?

    3 }# d* Z9 V- T/ O对,就像这样的
    * X4 p1 ~6 n* H# ^% a3 f( g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' a) {4 e2 H) A
    对,就像这样的; F# I; w# I3 k/ k1 _" W
    不过这个看上去还是有servo控制副翼?我是打算全去掉 ...
    0 l" A: [* J( ^7 Q3 @
    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
    7 ]. u, t1 o* `6 z& r那在平飞的时候怎么控制横滚呢?

    : Q3 D; ?' P% H7 z& S3 U# o7 H跟大疆水平旋转一样啊。
    ) l  F' }3 y* ]: U- F9 x/ S
    ( ?/ R1 g  `4 X& y" Z/ s9 h- o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- f5 u/ N9 v" [8 Y* {4 {/ H
    跟大疆水平旋转一样啊。7 A! `) @1 e4 B
    $ ~4 z/ j' U# ~4 @/ N& b& 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 ...
    5 L- \6 i: X/ L* D; \" s1 d, q7 Q, 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 07:082 u5 D: ^1 @0 t) S, A
    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 ...
    ; N. Z9 _8 r9 Y$ p6 q) \& B
    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- M" c& C6 q$ W, 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 ...
    6 W2 P* i; ?5 o0 n" G) 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
    & D% R8 B. D) y8 w" H" T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? ...
    7 k- s3 R4 z( 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 18:424 {* p2 \0 }. B; u  ]& {
    嗯,试试吧。感觉重量应该不是问题,两边是对称的
    ) Z$ c4 {8 l7 e: l  n' ]
    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# E1 p9 e  }1 O2 ~
    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 ...

    - @: L4 f- J& Y* Y9 ]4 k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
    * ?- M! h  P9 P: W' f' ~# 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。 ...

    % g7 m1 U, I6 z' @6 x$ d这个倒是可能是个问题
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