设为首页收藏本站

爱吱声

用户名  找回密码
 注册
帖子
查看: 1708|回复: 6
打印 上一主题 下一主题

[武器展望] 垂直起落的路上布满了先行者的尸体

[复制链接]

该用户从未签到

跳转到指定楼层
楼主
 楼主| 发表于 2024-10-21 14:15:40 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
本帖最后由 晨枫 于 2024-10-21 00:20 编辑   @6 f. ~9 M4 d# ~; C

, H+ i2 H  @- [, J# g: B# F“镧影R6000”的消息传出,垂直起落飞机的话题再一次爆热,各种“为什么不这样那样”的主意迭出。
! o9 t6 o. I2 a( o( P2 j( X
$ A3 n1 H- t/ F自从莱特兄弟历史性的一跃,像鸟儿一样腾飞就是人们不灭的梦想。但是机翼产生升力的效率实在比用发动机硬推高太多,使得垂直起落直径还是梦想多于现实。
  ~9 X$ [& [' I$ `$ j2 b! O% w  [. Y; H3 J. ~; P. _! Y
当然,直升机是垂直起落的。但直升机其实是把固定翼飞机反过来玩,飞机不动,但机翼动,一样产生升力。关键是机翼与空气的相对运动嘛。不过旋翼只能水平转动的话,直升机只能垂直上升、下降,不能解决前进的推力。伊戈尔·西科斯基在1939年发明了倾斜滑板使得旋翼可同时提供升力和推力,至今还是直升机旋翼的基本工作原理,但代价是阻力大,震动大,噪声大。这些不是技术进步能解决的,而是倾斜滑板的本质问题。
  L/ h& i. f2 }1 ]% D$ f. P( U( X
* z( _" {* N5 n, c" z旋翼转动中划过360度,必然有前行段和后行段。前行段必然产生“前推”空气的分量,造成额外阻力。但尽可能接近音速使得桨叶叶面局部超音速,还是要产生响亮而且周期性的激波噪声。前行段与空气的相对速度高,后行段低,不仅造成两侧的升力不对称,还因为桨叶周期性地扫过而造成强烈的周期性震动。前行段桨叶叶尖线速度不能超过音速,以免产生激波阻力;后行段桨叶叶尖速度不能低于失速速度,以免丧失升力;这从上下两端限制了旋翼的转速,进而限制了升力、推力的提高和震动、噪声的降低。& o6 g% v3 N( k2 s) W

6 W; S/ t3 V) t' M8 Z! A# N
+ n$ M1 O/ K9 n6 q旋翼产生升力的机理貌似简单,实际上非常复杂。前行段(右侧)和后行段(左侧)造成的不对称升力、后行失速等问题是原理性的老大难
( ~4 ~  N8 A" n3 p! ~6 `5 ?! w, }
5 Y* |1 _& t6 R2 ~6 e* d/ j# w自然的想法是升力和推力分离,旋翼只管产生升力,另外用推力发动机产生升力。这就是复合直升机。一旦平飞达到一定的速度,转入由机翼产生升力的模式,而旋翼进入风车状态,减少出力,减少阻力、震动、噪声等问题。但“无用”的旋翼依然产生阻力、震动和噪声,只是较小而已,可旋翼的死重和机械复杂性一点没有降低,驱动旋翼的发动机在平飞时还成为死重,还要加上额外的推进发动机的重量和机械复杂性。相比于用旋翼和同一台发动机同时产生升力和推力的常规直升机,改进不多,代价不小。
+ _# I+ R: i! _  `* P
3 l) j( I0 z1 q
4 Q" T) C4 G( x升力和推力分离的复合直升机,图中为空客X3
6 n+ e( \; ~; d7 o4 w. g' Q
% e0 f! V! Q, H4 j' P$ l, t倾转旋翼是另一个办法,这就是V-22到V-280一路发展过来的技术路线,已经说了不少了,这里不再重复。其实这一技术路线还有倾转机翼,整个机翼连同发动机一起倾转,好处是下洗阻力小,坏处是短距起落模式时阻力惊人。  D& a  n, P4 l4 q4 i
' S9 f+ ^+ k( z3 `: K8 v& `; `
跳出旋翼/螺旋桨的思路,直接用喷气发动机是另一个思路。当然,这时垂直起落飞机(VTOL)只是能垂直起落而已,长时间悬停、侧飞、前后蠕行等特殊机动是谈不上的。
6 d* O- T; ^+ x3 g. l
( z- f6 Y( a. K" W喷气发动机体积小、推力大,但这时垂直起落完全靠推力硬推了。也就是说,推力必须大于重力。对于V-280这样14吨级的飞机,需要至少14吨垂直推力,实际上需要16吨,才能可靠地垂直起飞。' T6 u4 c# z  c7 i
1 w. e4 K  y) x
战斗机发动机推重比已经达到10:1了。升力发动机只需要短时间工作,寿命、油耗方面都要求降低,在70年代推重比就可以达到16:1一级,比如雅克-38的RD38就达到16.5:1。假定现在可以达到20:1,那14吨的飞机仅升力发动机就有0.8吨的重量,加上安装结构、辅助系统,这在平飞时是可观的死重。
8 j3 R9 S0 T% ]) Q" S' P2 I  d
) u: W' x1 q* J  g4 |
# A4 b$ F. a3 F; `4 `幻影IIIV是典型的升力-推力布局
7 c' k( N3 e4 Z( ?6 ?. E! |. [. Z" i0 q" k! u& T* g4 s' P

5 Q2 W. L# ]! ]! @! @: ^; d米格-21PD实际上只能短距起落,做不到有意义的垂直起落# W7 v. X! g% A; t% t

) B' L8 h; J3 X1 r, Y: `7 W) g2 h5 w) Y
“鹞”式是升力巡航布局,但可靠性要求只能用单发,使得“飞马”发动机采用异乎寻常的四喷管,超大的推力来自很高的涵道比,不可能达到超音速飞行,使得“鹞”式称为超音速时代的亚音速孤儿6 O3 Q; w, }4 n' @3 ~9 ~

4 o3 c6 @+ k) R. U) c: N( b0 I  ?0 e. o7 z0 n4 o( }) Q
F-35B是升力-升力巡航布局的代表
2 S: G* N2 ]& s* Z% x: ]
" ~: C/ s) F$ {/ \7 \( P5 }# P
* g% C1 Q0 {; {* Q$ O升力风扇提供部分垂直升力,另外一部分垂直升力来自主发动机的可转向喷管1 N7 O$ o& q2 h, h

' W! q+ u+ a' |升力发动机可以有很多形式。有单独的升力发动机,这时另有单独的巡航发动机,称为升力-巡航布局(lift and cruise),例子有早期的米格-21PD、幻影III V。这时升力发动机和巡航发动机各司其职,但工作时间互不重叠。这个布局的优点是容易从现有战斗机改型而来,升力发动机的分布有利于控制垂直起落时的平衡;缺点是升力发动机占据重心位置,而且为了可靠性,必须多台发动机一起工作,死重大,占用空间大。幻影IIIV只是能垂直起落而已,毫无航程和载弹量可言,除了技术验证,没有使用价值。基本上所有这样短平快改装而来的早期VTOL战斗机都是这样,包括米格-21PD。
( r1 Y7 \5 b9 g( @; q* m9 |! x2 |$ @
有可以在升力和巡航之间平滑转换的升力推进发动机,称为升力巡航布局(lift-cruise),大名鼎鼎的“鹞”式是最典型的升力巡航布局。这时升力和巡航共享同一台发动机,在理论上效率最高,死重消除,但升力和巡航要求使得“飞马”发动机采用异乎寻常的四喷管,看起来就像一个趴着的乌龟。超大的推力来自高达1.2的涵道比,在以涡喷为主的时代,这是不可思议的,也是至今最高的战斗机涡扇涵道比。“飞马”不可能采用收敛-扩散喷管,也难以实现加力推力,很大的迎风面基和很高的涵道比也使得阻力很大,不可能达到超音速飞行。“鹞”式是超音速时代的亚音速孤儿,最终限制了有用性。“鹞”式的垂直起飞重量收到限制,实用中基本上都是短距起飞,才能携带有用的燃油和武器重量。
! K( J: w$ X) s
5 A* Z; _6 m- c$ ]# C2 X' v8 h0 h升力巡航发动机还有垂直升力分布问题。垂直升力必须围绕重心,还要有足够的三维控制力矩。这使得发动机位置和喷口位置的布置非常拧巴。雅克-36就是这样拧巴的产物,发动机非常靠前,喷口居中,机尾成为发动机的配重。
; P9 u" u: o* ^( H5 M3 L( L3 f
# V  E" R6 R; L1 Z' S* \6 z( I. ^$ n( P( y  x
雅克-36看起来就拧巴,也确实是因为发动机、喷口和重心的相对位置而成为这个样子的
5 ]0 G$ h3 A7 I1 w9 ^  s. P  m& c. p+ @, i+ N* B0 j4 ?; X# a* n( C1 I, O
还有单独的升力发动机加上升力巡航发动机(lift and lift-cruise),F-35B就是典型例子。这是升力-巡航和升力巡航之间的折衷,既避免把所有垂直升力都集中在升力巡航发动机的缺点,也避免完全依靠升力发动机所带来的死重。( _2 i- D: s8 f0 N1 J* n
, t+ n! u1 K4 u$ }
但所有这些布局都不能避免一些共性问题:
% J. v' a# C2 S6 A6 `9 b  s% ~7 f  N2 d. s7 i6 Y" i
1、炽热喷流
2 r& r  \; ]1 o2 W0 e9 X# c9 ?8 n# L
% T, a) H( ?5 b3 B4 `/ r0 p升力发动机的超高推重比是用死命烧油产生的,炽热的喷流对地面的热蚀很严重。雅克-38在“基辅”级上使用的时候,甲板和甲板下结构软化是大问题,问题严重到影响飞机出动。MV-22也有这个问题,通过临时铺设放热毯解决。但F-35B连放热毯都没法解决,“黄蜂”号在F-35B上舰测试后直接回坞大修了。整个“黄蜂”级都为此轮流进坞改装,“好人理查德”号就是在大修、改装期间起火、报废的。+ N4 R* @( W0 Q+ C2 a# o- w

6 E0 Z, d- i# U) q, a$ v在陆地上,混凝土地面会被烤到崩裂,碎片在强烈气流冲刷下四散激射。
4 Y) c" I: B+ ?( r; \* H9 `7 ^* F7 D2 S4 x6 g3 J: }
2、高温废气回吸
0 T) Z. U8 _9 n# t5 w, p; G! n: s4 C- C
垂直喷气触地反弹后,容易被升力发动机再次吸入,造成两个问题:1)高温进气使得发动机过热;2)缺氧废气使得燃烧恶化。F-35B采用升力风扇,一部分原因就是要避免高温废气回吸问题,另一部分原因是用借用主发动机的动力,机械驱动风扇,避免单独升力发动机的死重。
7 g- [, d/ W% c
( @4 B( B2 N/ Q8 j" M8 ], d3、喷气在地面横向流动造成的对地吸附
: t, d% W* Y, U; F3 {( B. g
9 l: v; J, v! [4 |5 i一部分喷气沿着地面横向四散流动,在机体下的这部分流动造成机体下表面与地面之间的文丘里效应,产生负压和向下的吸附作用,使得飞机难以离地。% X9 R) g1 t6 T$ N" i( s; y
9 }* r. D! L- x3 T% K4 ~& d
在将能量转化为推力方面,螺旋桨更高;在紧凑性方面,喷气发动机更高。在旋翼和喷气发动机之间,还有涵道风扇,特点也在两者之间。
' E7 E4 Q8 \+ R2 f+ M. S7 V) d3 _1 y9 |" x) L
几十年来,无数人试图解决VTOL问题,构想从简单粗暴到匪夷所思,无奇不有。仅仅把已经实际试飞过的各种方案罗列、分析一遍,就是一本大书。事实上,也确实有这样的大书,我手头就有。但死重、阻力、可靠性、经济性始终是跨不过去的坎。
# q/ A0 o% J" q/ J( h: }8 Q
, y" s+ c  Q6 a% d3 k8 UF-35B是至今VTOL路线最成功的例子,V-280是至今旋翼路线最成功的例子。9 v+ P/ ]5 Y# h: h0 n, `; T; ^
. v( h: e5 f' b3 {( z1 d/ N
一定有人会构想出新的路子,甚至以为科幻电影里的VTOL飞机可以成为现实。但科幻就是科幻,不能成为现实是因为经不起实践的检验。只要把这个那个貌似新颖的方案仔细分析一遍,十之八九可以找到历史上失败的先例,“喏,这就是为什么这行不通。”
$ m9 E- p) I3 Z" @2 J6 t7 S. K- i& H( c
至于每一个具体的为什么行不通,就需要搬出那本大书了,在第x页上,自己看吧,一个一个解释太费神了。

评分

参与人数 8爱元 +66 学识 +2 收起 理由
李根 + 8 涨姿势
住在乡下 + 6 涨姿势
tanis + 4 涨姿势
landlord + 12 涨姿势
常挨揍 + 10

查看全部评分

本帖被以下淘专辑推荐:

  • TA的每日心情

    2024-12-7 02:20
  • 签到天数: 389 天

    [LV.9]渡劫

    沙发
    发表于 2024-10-22 02:59:09 | 只看该作者
    记得以前哪里看到一个方案,先用吊车把垂直起降飞机吊离地面多少米,再发动,可以减少对地面的冲击。
    回复 支持 反对

    使用道具 举报

    该用户从未签到

    板凳
     楼主| 发表于 2024-10-22 03:03:09 | 只看该作者
    togo 发表于 2024-10-21 12:59% t& I2 d( a* b- p1 ]
    记得以前哪里看到一个方案,先用吊车把垂直起降飞机吊离地面多少米,再发动,可以减少对地面的冲击。 ...
    6 P9 z; z+ @& Z% |
    Skyhook。对接的要求太高,实际上不可行。
    回复 支持 反对

    使用道具 举报

    该用户从未签到

    地板
    发表于 2024-10-22 10:34:41 | 只看该作者
    togo 发表于 2024-10-22 02:597 r+ m3 w$ z# @/ p0 `
    记得以前哪里看到一个方案,先用吊车把垂直起降飞机吊离地面多少米,再发动,可以减少对地面的冲击。 ...

    / g4 b7 g* e& |8 L4 V+ `5 Y/ c3 q西西河的本雅明说起过这个。他的方案是搞小航母,塔吊式起飞。真的是有点扯了。
    回复 支持 反对

    使用道具 举报

  • TA的每日心情
    奋斗
    半小时前
  • 签到天数: 2985 天

    [LV.Master]无

    5#
    发表于 2024-10-22 15:24:29 | 只看该作者
    晨大,全自动体外无人火箭发射台有人狂想过没有?就象马斯克猎鹰第一节,把飞机升空后自己回到某个海平台上,
    回复 支持 反对

    使用道具 举报

    该用户从未签到

    6#
     楼主| 发表于 2024-10-22 15:31:22 | 只看该作者
    雷声 发表于 2024-10-21 20:342 @9 J0 |$ h& \$ \
    西西河的本雅明说起过这个。他的方案是搞小航母,塔吊式起飞。真的是有点扯了。 ...
    & z% ]! F3 h: J0 A1 {9 o$ Y' k
    唉,我来贴一个系列吧,历数那些倒下的先烈,好多比天钩还要异想天开
    回复 支持 反对

    使用道具 举报

    该用户从未签到

    7#
     楼主| 发表于 2024-10-22 15:32:12 | 只看该作者
    testjhy 发表于 2024-10-22 01:24
    4 d9 Z/ M. n8 C4 e* q" d晨大,全自动体外无人火箭发射台有人狂想过没有?就象马斯克猎鹰第一节,把飞机升空后自己回到某个海平台上 ...
    , c0 m& _& O+ N; y  }
    这个至今还没有。这个成本太高了,实施的条件也太严苛,大量玩肯定不行
    回复 支持 反对

    使用道具 举报

    手机版|小黑屋|Archiver|网站错误报告|爱吱声   

    GMT+8, 2025-7-20 09:22 , Processed in 0.046339 second(s), 21 queries , Gzip On.

    Powered by Discuz! X3.2

    © 2001-2013 Comsenz Inc.

    快速回复 返回顶部 返回列表