我设想的Tilt wing VTOL，STOVL高性能 战斗机，设计与验证过程分享

某某某某

前言
几个月前网络上流传中国将展开中国国产的垂直起降战机，忽然之间大陆的军事网站兴起一股设计垂直起降战机的热潮，我也顺着这股热潮进行自己的设计,发上去给王民们抛砖，就是批评的意思。
我的设计到现在这一刻其实是还没完成的，因为设计对我来说不是画画而已，也要包括验证才算完成设计。但由于本地没有这种市场，所以我也不觉得我会真正的完成所有设计，最多到某个程度的细部设计就停笔吧。


基本概念和布局
飞机设计，不外乎围绕两个重要因素：机翼与动力
我的动力我选择9吨级的EJ200，原因是这发动机除了尺寸不会很大，更重要是它的重量只有900kg,但推重比高达1：9，很逆天的神器！大的推重比，表示可以利用在其他系统重量的margin就越高，毕竟我的设计初衷还是为了垂直起降这一点更为重要。

布局Layout一目了然，就几个字：上单下反角三角翼V尾翼。
概念方面，我的设计是属于不曾在战斗机上出现的Tilt wing，中文叫倾转旋翼。
倾转螺旋桨可以算倾转旋翼的一个分支，但倾转旋翼在直升机状态时，机翼对旋翼的下洗气流的遮挡较大，而直升机状 态是最需要把所有的推力全部发挥出来的时候。另外，由于旋翼和机翼的相对位置和角度的变化，旋翼-机翼的气动相互作用十分复杂，在至关重要的直升机-固定 翼状态转换期间尤其如此。既然如此，何不换一个思路，将发动机固定安装在机翼上，而让机翼倾转呢？倾转机翼（tilt wing）的好处是较好地解决了下洗气流的遮挡问题和发动机-机翼的相互作用问题。

但是世上没有免费的午餐。倾转机翼要倾转整个机翼，由于机翼是飞机产生 升力的所在，而机体是承重的所在，机翼和机体连接部是飞机上最吃重的部位，现在这个最吃重的部位把所有应力全部集中到一个控制机翼倾转的铰链上，要保证最 大的可靠性，机身的结构必须采用钛合金。

和倾转旋翼一样，理论上倾转机翼可以通过前后倾转机翼来实现俯仰控制，控制左右发动机的推力来实现横滚控制，用下 洗气流作用在襟翼上来实现偏航控制，但倾转机翼太不灵敏，所以从发动机引气并在机头和尾椎尽可能最远的位置往下喷以保证最大的力臂。

整体设计是围绕着两台以EJ200为蓝本的90千牛级中推发动机。机体由机头，机尾，中央箱形主结构, 双发动机仓翼盒一体结构.

基本性能数据
乘员　 1人（单座)
动力装置 2台“EJ200” 推力89千牛，军推60千牛
最大起飞重量 10527 千克
最大速度 1.8马赫（高空）、1.2马赫（海平面）
转场航程 1800千米 (内油)
作战半径 900千米 短距起飞 （300米，带 2中2近空空弹，内部燃油， 1 小时空中巡逻） 1200千米 高 - 低 - 高，短距起飞
载弹量　 2000千克 （垂直起飞）、>8000 千克 （短距起飞）
机长　 18 米
机高　4.2米
翼展　11米
空重 9000千克
最大起飞重量 24000 千克 （短距起飞）、14000 千克 （垂直起飞）

今天到此为止，如果有人有兴趣，将会一直有UP DATE,也将有问必有答。下一楼将进一步谈气动设计(AERODYNAMIC FEATURE).

某某某某

aerodynamic气动设计
      
趁着有点时间，就ｕｐｄａｔｅ一下。
原来说了那么多，都还只是说ＶＴＯＬ的特异功能罢了，这一楼就拿来讲解机体基本构成和气动设计吧。

传统飞机的气动控制面都是水平尾翼控制俯仰，尾陀Ｒｕｄｄｅｒ控制偏航，副翼Ｆｌａｐ控制滚转，加上其他的增升和辅助控制面如Slats, air brake, aileron,spoiler等，这些老何肯定都很熟悉。
我的飞机设计有点不同，整体转动Ｖ陀代替了水平尾翼和垂尾，整片Flaperon代替了传统的ｆｌａｐ＋Ａｉｌｅｒｏｎ＋Ｓｐｏｉｌｅｒ，还有超大尺寸的Ｓｌａｔ肯定要有。所有的动作ｐｉｔｃｈ，　ｙａｗ，　ｒｏｌｌｉｎｇ都又这些简化的控制面交叉控制，换句话说，这飞机一定是ＦＢＷ的，人工可干不来这些控制。


基本控制面操控性





增升手段








高攻角下的飞行与操控性














  
              

某某某某

进气道设计         











结构的过载设计  structural static load               
      







  

某某某某

保留建楼                                             

老何

板凳..............

某某某某

老何 发表于 23-6-2015 12:35 AM
板凳..............

老何paiseh la,沙发我自己先坐了
我免费请你坐我设计的飞机，保证视野好过你飞过的任何一种飞机，Full Glass cocpit的哦




回头看的样子

老何

坐板凳就可以了。

我不是军机专家也不是飞机设计工程师。而是以一般民航机师的程度问一些问题。

1. 因为机翼和发动机是连同一起移动的。等于是发动机＋油箱＋weapon payload 这三样东西一起移动。在vertical takeoff 的 Center of Gravity (CG) 和 normal takeoff 的 CG 变化不会太大吗？

2. 从 gif 的照片看来，整个wing spar 是移动性的，Max positive G load 不就会大大的减少吗？

3. Delta wing 的飞机一般的 approach speed 都是很快的。即使是在 short field takeoff/landing mode。而飞机的 main landing gear 是在机身前面，这样飞机的 approach speed 会更快。因为降落时不能 flare 太多。

暂时只想到那么多。等你分享飞机的 aerodynamic features。

某某某某

老何 发表于 23-6-2015 11:35 AM
坐板凳就可以了。

我不是军机专家也不是飞机设计工程师。而是以一般民航机师的程度问一些问题。

1. 因为机翼和发动机是连同一起移动的。等于是发动机＋油箱＋weapon payload 这三样东西一起移动。在vertical takeoff 的 Center of Gravity (CG) 和 normal takeoff 的 CG 变化不会太大吗？

嗨老何！专业人士就是不一样，问的问题也许要比较长篇阔论才能把故事讲完。
先谈CG吧。
当wingbox + Engine Pod运动的时候，整个系统的CG肯定也是不停的改变。
这飞机有三个Take Off/landing Mode:
1.Normal T/O Landiing
2.Vertical T/O Landing,VTOL
3.Short T/O Vertical Landing,STOVL
Normal的就跟其他的V tail Delta wing一样没分别。
VTOL呢就比较复杂，但我已经作了简单的vector analysis.

需要说明是发动机的位置就是特地尽量靠近CG,Weapon load,包括Internal/external也都在中线附近，但CG的变化是dynamic的，所以这个起降是一定要Fly By Wire，控制律需要无时无刻fine tuning发动机的角度和位置，这也是为什么整个upper section的运动不是单纯的转上去，其实整个mechanism是3 degree of freedom的。
至于油料，整个fuel storage system是分散式的，wet wing里的只是一部分(其实是大部分），下图是内油箱，其实是还有很多隐秘的空间可以挖掘出来放油箱的。为了保持最好的平衡，减轻Vtail配平的torque,油箱的consume sequense必须先屁股的470kg-〉机翼的1160kg然后才机体中线的油箱。


Weapon payload分internal 和external。根据combat mission自由调整，当需要stealth就全部hampalang进internal weapn bay.

某某某某

老何 发表于 23-6-2015 11:35 AM
坐板凳就可以了。

我不是军机专家也不是飞机设计工程师。而是以一般民航机师的程度问一些问题。

2. 从 gif 的照片看来，整个wing spar 是移动性的，Max positive G load 不就会大大的减少吗？

这一点是关键的。
其实这架飞机就如外表一般，当需要探讨力的传递时，可以分成upper section和lower section.
当高G maneuvering时，机翼受当前冲先承受G load.这个upper section为了可以最轻的重量来VTOL,又要很强来maneuvering，所以办法只有好像有XF-32的一体化的composite wing.
接下来就要把load传递给机体了。
upper section和机体之间除了pivot之外，还有锁定的plunger,这些pin就扮演了两个section的桥梁，只要这些pin可以曾受shear stress,那G load就没问题。我设想的max G load是 +7.5/-3，就基本根F-18F一样。


活动机构。

拆解出来的main loading structure还没完成，这一部分是最难设计的，一个团队的structure engineer可能都要几个月，对不对？@blackbird

某某某某

老何 发表于 23-6-2015 11:35 AM
坐板凳就可以了。

我不是军机专家也不是飞机设计工程师。而是以一般民航机师的程度问一些问题。

3. Delta wing 的飞机一般的 approach speed 都是很快的。即使是在 short field takeoff/landing mode。而飞机的 main landing gear 是在机身前面，这样飞机的 approach speed 会更快。因为降落时不能 flare 太多。

嘿嘿，这就是这飞机的秘密武器。
之前有提到STOVL，但没有说明如何。
这STOVL是如何呢？


明天再说。

某某某某

老何 发表于 23-6-2015 11:35 AM
坐板凳就可以了。

我不是军机专家也不是飞机设计工程师。而是以一般民航机师的程度问一些问题。

３. Delta wing 的飞机一般的 approach speed 都是很快的。即使是在 short field takeoff/landing mode。而飞机的 main landing gear 是在机身前面，这样飞机的 approach speed 会更快。因为降落时不能 flare 太多。

说到ＳＴＯＶＬ了。
ＳＴＯＶＬ的原理很简单。
先说说ＳＴＯＶＬ　Ｍｏｄｅ的模样

原理很简单，就是用大攻角，以速度换升力，加上增升手段和地面效应的加持，很容易就起飞了。
做个比较吧，正常滑跑完全由机翼提供升力，需要一定时间直线加速直到起飞速度。

而ＳＴＯＶＬ的时候，整个ｕｐｐｅｒ　ｓｅｃｔｉｏｎ都是一个巨大的Ｆｌａｐ，加上Ｂｌｏｗｎ　ｆｌａｐ的超能力，不必滑跑太远就有足够的升力。



那这个ｍｏｄｅ的效率有多大呢？答案在下面，
风洞数据显示，机翼上扬20度，300km/h速度滑跑机翼与机体就产生708709牛的升力，这升力可以想象为飞机咻一下不小心就升空了。

好像忘了讲降落，approching时反向操作就可以了，如果油料充足，直接ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｌａｎｄｉｎｇ就可以了，完全没有普通ｄｅｌｔａ　ｗｉｎｇ进场速度快的问题。
由于速度可以降到零，就是ｈｏｖｅｒｉｎｇ，所以即使是前三点式起落架，也可以好像ｂｌａｃｋ　ｈａｗｋ那样降落。

某某某某

那个吝啬加精的鸟人哪里去了？这里冷清得好可怕啊
@blackbird

老何

不错不错，解说得够清楚。#kipidap.

这里确实是很冷清的。

某某某某

老何 发表于 25-6-2015 08:55 AM
不错不错，解说得够清楚。#kipidap.

这里确实是很冷清的。

可能跟本地从事aviation industry的人少，又没有国防教育,所以几乎没有人爱好这一行

kanwt

喷气口和弹仓位置蛮靠近的，应该不会有问题吧！！。。。

blackbird

嘿嘿。。。如果你要要设计战斗机。。。
你的基本资料(specification&requirement)呢?

机翼向上移有什么作用呀?

一般上的战斗飞机的机身是用titanium?

某某某某

kanwt 发表于 25-6-2015 11:24 AM
喷气口和弹仓位置蛮靠近的，应该不会有问题吧！！。。。

你问得很好，你的重点是发动机热气对机身的烧蚀问题是吧？
其实这问题多严重我不知道，只有真正的field test才能确认。
其实发动机并不是笔直的，而是有个4度的off set,原本用意是增加稳定性，但我想这应该可以某个程度上减轻这个问题。

某某某某

blackbird 发表于 25-6-2015 05:44 PM
嘿嘿。。。如果你要要设计战斗机。。。
你的基本资料(specification&requirement)呢?

你的基本资料(specification&requirement)呢?

机翼向上移有什么作用呀?

一般上的战斗飞机的机身是用titanium?

阿bird你读贴不仔细呵，第一楼就有spec了
一般上是aluminium alloy,局部titanium, composite material,少数magnesium alloy, stainless steel等。

blackbird

放个engine在机翼下面再rotate vertically...hmm会不会太重呢?

用一个hydraulic 来移动应该不够支撑。

整个机翼转起来，阻力不是很大?结构就要很好设计。

某某某某

blackbird 发表于 25-6-2015 06:54 PM
放个engine在机翼下面再rotate vertically...hmm会不会太重呢?

用一个hydraulic 来移动应该不够支撑。

总共4支做动桶hydraulic jack工作，加上两条Cam滑轨承受应力，所以功率是卓桌有余的。
EJ200很轻罢了，才900kg.
整个tilt wing在VTOL的时候没有什么阻力，STOVL时就是用阻力换升力。