《流浪地球2》不仅是一部优秀的科幻电影,其中也蕴含了许多先进科技,幕后更有诸多奇闻轶事。科幻V计划5邀请到了《航空知识》杂志主编王鑫邦老师、徐工集团的王殿博老师以及中科院物理所副研究员李治林老师,带我们了解电影中的航空知识。

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注:本文系科幻V计划5图文回顾上集,主要摘录王鑫邦老师的发言,其他内容请关注图文回顾下集。

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《流浪地球2》中出现了垂直起降的战斗机,还有无人机协同作战、太空电梯等设备,这些飞行器离我们很遥远吗?还是我们已经有一些基础了?

垂直起降实际上是一个比较老的技术,最开始是英国人跟苏联人在搞。他们搞那个东西的初衷是因为这两个国家海军的航母不好,他们没有美国那么大的航母,如果在一个小吨位的航母上放舰载机的话,它就需要有这种垂直起降的技术

英国人造了“海鹞”式战机。后来在马岛海战打得非常好,一战成名,而且“海鹞”战斗机还卖给了美国。我们看美国电影《真实的谎言》,施瓦辛格最后开着那架战斗机悬停放导弹,这个就是垂直起降飞机。

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海鹞战斗机 | 图源自百度百科

现在最新的垂直起降战斗机就是美国的F35B。F35这个机型最开始是联合打击飞机

F22出来之后,我们标榜这是第五代战斗机,追求几个S,就是超声速巡航、隐身、超机动等,所以F22这代飞机的造价特别高。美国人想让所有的军队用相同的战斗机。但是这里就出现一个问题,空军、海军和海军陆战队他们对飞机的要求不一样。空军呢,正常起降战斗机就可以了,海军的话,它需要着舰,所以他就需要垂直起降,然后就搞出了F35的A型,B型和C型,这个B型,就是垂直起降。

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F35B | 图源自百度百科

电影里的歼20C,垂直起降的方式和F35B非常像。就是中间有一个升力风扇。脊背有一个开口,实际上是升力风扇进气的部分,进气之后,底下开口喷气,中间产生一个升力,最关键的是两个尾喷口是可以偏转向下的,整个飞机就达到一个垂直起降状态。F35B跟这个就是原理是一样的,唯一的不同就是F35B是一个单发,就是只有一个发动机,歼20C是一个双发。

我 (编者注:王鑫邦老师)个人感觉,双发能做到垂直起降的话,应该是很难的,因为他尾喷口偏转的机构很杂,如果你要改成双发的话,可能机身后段的空间不够。第二就是两个尾喷口同时向下排气,控制起来很麻烦,力矩不好平衡。

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《流浪地球2》剧照

实际上当年美国人搞F35的时候,还有一个竞争机型叫X32,是波音公司搞的,F35是洛克希德搞的,技术验证机叫X35。这种升力风扇的垂直起降飞机有一个bug,就是它的升力风扇在平飞状态,是个死重不会产生任何推力,当年波音公司搞的那个X32,没有这个升力风扇。它是完全靠各个尾喷口喷气,达到垂直起降的一个状态。后来那个方案用的技术步子还是迈得大了一点,美国人对它的可靠性不放心,没有装备。

这种升力风扇的方案,技术上相对稳定,代价就是在平飞的时候,升力风扇这套系统永远都是一个巨大的负担,携带的燃油和弹药少,机动性差。而且它的转向机构也不能设计得太靠尾部,否则机身就栽下去了。

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X32技术验证机 | 图源自百度百科

垂直起降在一开始的时候非常难,英国人研制“海鹞”的时候,飞行控制系统还没有实现电子化或者智能化,在起降过程中是经常出事的,现在飞控系统提升了,这个问题才解决。

追根溯源的话,垂直起降实际上来自前苏联时期,因为苏联领导人总是觉得航母没用,赫鲁晓夫就说航母就是飘在海上的活棺材,但是潜艇有用,所以苏联人就拼命地造潜艇。还有一个苏联人不搞航母的原因,就是因为它纬度比较高,传统的大型航母都用蒸汽弹射的,就是烧开水,压力变大,把它喷出去,纬度变高的时候,天太冷,蒸汽弹射器的可靠性就变低了。俄国人在航母这方面一直落后于美国,所以他就搞那种小型的不带弹射的航母,所以苏联就专门做垂直起降,他一开始做了雅克38,后来做了雅克141,雅克141制造出来的时候苏联马上就要解体了,解体之后一些技术就卖给了美国。

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雅克141 | 图源自百度百科

在军事上,设备的可靠性是非常重要的,可能科幻会想如何更好看,但实际应用的时候,我们优先考虑的永远是安全。另一方面其实航空的难点它就在于可靠性,现在民航的大型发动机,全世界没有几个国家能造的,因为现在发动机的可靠性要求非常极致。比如说这个发动机,你要连续工作3000个飞行小时,不出大的故障,所以保证可靠性还是非常难的。

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《流浪地球2》中出现的无人机蜂群作战的技术,现在现实中其实是有迹可循的吗?

也不是有迹可循,而是这是无人机发展的方向蜂群或者是人工智能集群是无人机发展的一个趋势。发展的难点是统筹,这个统筹我们一般认为在于人工智能。每一个无人机它都必须和总部联系,就像电影里的Moss一样。

举个例子,很多城市都有无人机表演,它基于的是一种有中心的无人机集群,就是有控制中心的,就是地下有一个控制站,然后输入一个脚本,脚本变成程序控制无人机,但是如果其中有一架无人机坏了,比如说不闪光了,或者掉下来了,其他无人机也不会去补位,就得等着下面的控制人员控制它去补位。

《流浪地球2》剧照

蜂群的概念就是不需要中心控制,无人机上天之后,无人机和无人机之间的位置关系由它们自己决定,它们自己就有一个比较强的智能,自己就能计算出它下一步要怎么做。这种集群有点像蚁群,或者说蜂群,它可能每一个单位非常弱小,但是它集合起来会有一个集体智慧,传统的集群是没有集群智慧,或者说没有人工智能的,整个过程必须得有人控制,到了蜂群这个阶段,理想效果就是我只告诉你要从A点到B点,中间有什么困难你自己去解决,比如说还是刚才我们说的要做一个无人机的三角形,如果要用蜂群技术的话,其中有一架无人机坏了,不用地面给它指令。它们自己就会重新排布,旁边的无人机会自动补位,它们还是一个三角形,但是那个三角形会重新排列,会变成稀疏。

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理想的蜂群技术,不是通过网络是吧?

对,理想的蜂群技术不需要外部网络,是他们自己自主管理。现在的中心控制方式,控制中心是相当于基站,然后通过信号控制每一个无人机。不过未来无人机蜂群,网络带宽也是一个瓶颈,因为蜂群需要无人机跟无人机之间不停的通信,汇报位置,如果无人机跟无人机之间的距离远了,通信不到的话,就需要中继,也就是说需要一个中继无人机,这实际上就是蜂群技术面临的一个硬件的瓶颈。蜂群要足够大,它的能力才足够强,但数量足够大的时候,就面临着这种问题。其实还有一个问题,就是环境过于复杂的话,还面临通信干扰。实际上解决办法还是单体的人工智变强,这样通信信号可能会变短,通信的命令更简短了。所以蜂群技术的核心点就是人工智能技术。

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无人机蜂群之间是如何产生集群智能的?

这个问题现在还是一个科幻问题,我们可能只能通过模拟了解对这种集群智能到底是怎么出现的。大家就是不知道为什么一群蜜蜂就可以做一个那么精巧的蜂巢,明明每一只蜜蜂都很简单。就像DNA,也就那么几个碱基对,然后它们有规律的排列在一起,就可以产生很多的变化;像氨基酸,也就几十种氨基酸,可以组合成很多很多种蛋白质。就是非常简单的规则,在一个庞大的数目当中,它会表现出怎么样集体的性质,其实是非常难预测的。

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我们真正遇到这种能够协同作战的无人机群之后有没有什么应对的方式?

实际上这就是反无人机,由于这几年无人机应用非常广,尤其在一些热战中,大家可以看到无人机的作战效率已经远远超过传统方式。大家一直都在想怎么去反无人机,但是目前反无人机的手段比较少。

电影中有干扰枪,干扰枪是现在现在比较常用的一种方式。

无人机本身属于一种小低慢目标,你要把它打下来,首先你得要看到它,但是无人机和传统有人机最大的区别就是,它可以长时间在一个地方不停地巡逻,比如说阿富汗战争中,在没有无人机的情况下,美国飞行员驾驶F16在阿富汗上空巡逻,也就飞半个小时。时间再长的话,飞机没油了,飞行员也受不了,但是无人机可以做到24小时飞。另外对于一些无人机,它体积特别小,还是非金属的。所以传统的雷达看不见。所以发现无人机实际上是比较麻烦的一件事。

但是如果一旦发现的话,现在主要的对抗手段就是电磁干扰,干扰无人机的通信信道。另一个想法是用无人机对抗无人机,对方有无人机,难道你没有吗?现在国外有类似的比赛,就是无人机追逐战,实际上就类似于无人机反无人机的手段。不过,无人机是消耗品,还是干扰最划算。还有像是石墨弹这种手段,对电路造成干扰也行,其实还有一种就是产生一个很强的电磁脉冲,瞬间烧坏电路。但是就像刚才说的,最麻烦的或者最困难就是发现无人机,找得到的话,你拿步枪都可以打下来,所以现在还是得加强探测技术,对于这种飞行器比较小,飞得比较低,飞得还比较慢的目标,历来都是难以防守的。

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电影中使用近防炮,密集阵应对无人机

有人说到雷达,雷达本来就有一定高度。飞的太低的话,雷达是照不着的,可能大家会考虑把雷达装在车上或飞机上,其实就是预警机嘛,预警机对它也没有那么有效,因为预警机使用成本太高了,最安全的方法就是做一堆飞机,划分网格,每个有自己巡航的区域,然后我们整个把自己的一片天空给覆盖了,但敌人只有一架无人机反倒不划算,把自己消耗了,不怕贼偷,就怕贼惦记。

俄国人的做法就简单粗暴,他对那一个区域强行干扰,用自己的电子干扰机长时间徘徊,一旦发现情况就全频段干扰,其实我们那也有一点类似应用,我们也有些场所无人机禁飞的,我们在这个区域内会有一个电子围栏,但这毕竟是民用的嘛。

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无人机能做到电影中那么强大吗?

刚才说无人机是低空飞行,电影里面的片段,就是俄国人跟那个无人机战斗的片段,无人机已经飞到这么高,竟然能跟战斗机作战了,这是不可能的,实际上他是表现一个科幻效果,像这种多旋翼无人机,本身是一个低速飞行的布局,他不可能赶上苏57的,苏57可以达到两马赫以上,无人机不可能飞得那么快。

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无人机追击苏57是不可能的

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电影中飞行员的头盔看起来也很高级,非常有讲究,具体体现在哪呢?

其实这也是一个中国制造团队制作的,他们用3D打印的方法,非常精细地设计这个头盔的结构,不仅解决了头盔当中的那个散热问题,而且考虑到电影拍摄,头盔上面还有补光的这个功能,所以看到演员一点都不黑,自带美颜。

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全是友军

其实现在的飞行员头盔也是越来越高科技了。传统战斗机的话,是有一个屏显,现在一些高级的车也会有,就放在风挡上,可以看到车的速度什么的。现在的战斗机还有头盔显示,就是电影里的那个AR眼镜那种感觉,可以选择一些主要信息在头盔上显示,还可以进行头盔瞄准,就比如说苏57的超机动动作,就是从一个被攻击位变成一个攻击位,这个在过去的话,战术价值很大,但是现在战术价值没有那么大,其中一个原因就是可以头盔瞄准,飞行员看到你的时候,头盔就可以直接瞄准你,然后导弹就打过去了,你飞得再高也躲不开了,现在的导弹已经可以做到大离轴角发射,根本躲不开。

本文为2023年4月14日科幻V计划直播回顾上集,主要摘录主讲人王鑫邦部分内容,剩余回顾请关注图文回顾下集,全程视频回顾请关注bilibili@二次元的中科院物理所。

编辑:穆梓

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