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《流浪地球2》出现垂直起降歼20,现实中可行吗

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发表于 2023-2-1 10:41:05 | 显示全部楼层 |阅读模式
在近期热映的国产科幻大片《流浪地球2》中,不仅出现了很多未来感十足的机械设备和航天器,同时也有不少各国现役主战武器装备登场,其中,最为引人瞩目的是影片开头颇为炫酷的垂直起降型歼-20隐身战机,主创人员称其为歼-20C。
既然科幻影片要具备一定的科学技术基础,影片中的歼-20C又是基于现实中的歼-20隐身战机而改进设计的。那么,我们不妨分析一下垂直起降型歼-20隐身战机的技术可行性有多大?
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《流浪地球2》中出现的垂直起降型歼-20战斗机。
值得称道的细节设计
从影片镜头以及诸多制作花絮,我们可以了解到主创团队不仅完成了歼-20C垂直起降隐身战机的方案设计和三维建模,甚至还打造了等比例的实体道具,特别是歼-20隐身战机的双人座舱道具,几乎能够以假乱真。在歼-20C垂直起降隐身战机的很多细节设计上,可以看得出主创团队确实非常用心,具备一定的专业水平。
首先,作为一架垂直起降隐身战机,歼-20C最为重要的机载设备之一就是机身前部的升力发动机。很多媒体在对歼-20C的升力发动机进行分析时都认为其应当是与美国F-35B垂直起降隐身战机类似的升力风扇。该机的升力风扇采用两级对转设计,直径达1.27米,依靠与主发动机主轴连接的驱动轴来提供动力。不过,笔者认为,歼-20C垂直起降隐身战机采用的应当是类似于苏俄雅克-38以及雅克-141的2台前后串列式涡扇升力发动机。
从总体设计布局和性能上看,雅克-141的串列式涡扇升力发动机与F-35B的大直径两级对转升力风扇各有优劣。但是,对于歼-20C这样一款最大起飞重量有可能超过40吨的重型战机来说,升力风扇很难能够满足垂直起飞时的升力要求。
《流浪地球2》关于歼-20C垂直起降战斗机的海报。
美国F-35B垂直起降隐身战机的升力风扇可以产生9吨的推力,已经是当今世界最高的技术水平了。如果歼-20C要具备在最大起飞重量的情况下实现垂直起飞的能力,则升力发动机的推力至少要达到16吨,两台主发动机可以提供至少24吨的总推力,才可以满足最基本的起飞推力要求。
而升力风扇在转速一定的情况下,要大幅提升推力,只能进一步增大直径,这又要受到机身宽度的限制。所以,采用2台串列式涡扇升力发动机是歼-20C最为明智的选择。按照2044年的技术水平,中国航发工业应当能够研发出重量足够轻、尺寸足够小且可以提供8吨推力的涡扇发动机。
其次,笔者注意到,在歼-20C的2台串列式涡扇升力发动机后部两侧,主创团队还特别设计了垂直起飞时所必需的辅助进气口,这也是几乎所有垂直起降喷气式战机必备的设计。当战机进行垂直起降时,为了避免向下喷出的高速气流吹起来的异物被吸入机身两侧的主进气口,通常都要利用设在机身背部的辅助进气口来提供主发动机所需的空气。不过,与F-35B和雅克-141采用的大尺寸辅助进气舱口设计不同,歼-20C的辅助进气口类似于鱼鳃式设计,与米格-29的辅助进气口很相似,应当是考虑到了隐身设计要求。
最后,影片还展示了歼-20C双座型的座舱盖采用了前后两片开合式设计。这一设计在当今各型现役战机中几乎没有被采用过,也就是座舱盖分为前舱盖和后舱盖两部分,分别在前部和后部设置驱动伺服机构。关闭时,前舱盖向后,后舱盖向前,在中部闭合。在笔者的印象中只有某些科幻电影中的太空战机采用过这种独特的设计。笔者分析,主创团队之所以采用如此标新立异的舱盖设计,应当是考虑到了座舱后部要安装2台串列式涡扇升力发动机,座舱前部要安装雷达以及光电设备,能够给驱动伺服机构预留的空间很有限。如果只在座舱盖前部或者后部设置一套驱动伺服机构,都无法满足使用要求,那么索性就将原来的整体式大型座舱盖一分为二,各自设有一套驱动伺服机构。
美国F-35B垂直起降战斗机的动力系统,包括主发动机和升力风扇。
从科幻到现实的难关
当然,如果我们再进一步探讨歼-20C垂直起降隐身战机的具体设计以及技术可行性,就会发现很多矛盾和不合理之处,而且要面临太多无法克服的难关。
首先,歼-20隐身战机虽然外形尺寸较大,但是其内部空间设计还是相当紧凑的,可以说每一立方厘米都得到了充分的利用。在这种情况下,还要为安装2台串列式涡扇升力发动机空余出足够的机身内部空间,其难度可想而知。按照影片中歼-20C涡扇升力发动机的安装位置,这里不仅有前起落架舱,还有机腹主弹舱、两侧S形进气道以及航电设备、油箱等部件。
所以,在保持歼-20隐身战机原有尺寸和机身内部空间大小不变的情况下,还要为涡扇升力发动机留出空间则会产生以下比较严重的影响:前起落架舱要前移,很可能会与驾驶舱发生干涉;机腹主弹舱的大部分空间被占用,很可能失去挂载机载弹药的功能;S形进气道的一部分有可能被占用,影响进气效率或产生流场畸变,导致发动机无法正常工作;原本座舱后部的航电设备、油箱等部件要移除,很可能影响战机的作战性能和航程。从影片中所展示的歼-20C总体设计布局来看,外形尺寸应当是与常规型歼-20基本保持一致的,那么,以上这些缺陷和矛盾之处是很难解决的。
目前垂直起降战斗机均采用单发设计。
其次,我们应当注意到,从英国“鹞”式到苏俄雅克-38以及雅克-141、再到如今的美国F-35B,这些真正实现服役和实用化的喷气式垂直起降战机全部采用了单台主发动机设计,而歼-20为双发重型隐身战机,之所以国外喷气式垂直起降战机都采用单台主发动机设计,主要是为了避免双发设计的推力不平衡问题。
歼-20这样的双发战机,尽管两台发动机的间距较小,但是也依然存在由于推力不相同而产生的偏航力矩问题。在常规飞行中,战机的飞控系统以及控制发动机工作状态的FADEC系统可以进行调节,保持战机的稳定性。但是,在垂直起降过程中,战机本身就处于极大的不稳定状态之中,两台主发动机的一点点推力差值,甚至两具旋转矢量尾喷管任何细微的动作不协调性,都有可能造成致命的事故。
再者,歼-20C垂直起降隐身战机还有一个非常重要的升力发动机与主发动机之间的力矩平衡问题,也就是说,以战机的重心为中心点,以分别延伸到升力发动机和主发动机尾喷管中轴线的距离作为力臂,升力发动机与主发动机要不断调整所产生的向下的推力,使得两者所产生的力矩基本相同,从而保证战机在垂直起降过程中的纵向稳定。
如果这个问题不解决好,那么战机在垂直起降过程中要么“翻跟头”,要么“拿大顶”。比如,去年12月15日,一架F-35B在美国德克萨斯州沃斯堡海军航空站联合储备基地试飞垂直起降项目时,就因为升力发动机失效导致失稳而坠落。歼-20C作为机身长度超过20米的重型战机,升力发动机与主发动机相距较远,必须要更好地解决力矩平衡问题,才能保证垂直起降的稳定安全。
最后需要说明的是,影片中歼-20C的垂直起降过程中还有一个比较明显的BUG:战机的鸭翼始终保持在水平状态,这是很不合理的。事实上,早在20世纪90年代,洛克希德·马丁公司就推出了代号为C160的鸭翼布局单发垂直起降隐身战机设计方案,并且制造了缩比例技术验证机。该机在台架测试中,进行模拟垂直起降时都是将鸭翼向前翻转90度,呈垂直状态。这样,竖起的鸭翼既可以作为在起降过程中增强战机稳定性的安定翼面,还能够消除水平状态时产生的气动阻力以及紊流干扰。

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