昨天有人問W君自己的專業(yè)學(xué)什么的，就好像W君的專業(yè)不能聊飛機一樣。W君是做“穿天猴”的。咱們就以做“穿天猴”的專業(yè)視角來聊聊怎么手搓六代機。畢竟太多人甚至連“穿天猴”都不會做，那還聊什么航空設(shè)計呢？高能預(yù)警：這篇文章并不適合大多數(shù)人

敲黑板開課，今天的主題是讓大家從一個“穿天猴”手搓出來六代機。

嚴(yán)格意義上來定義“穿天猴”，它就是一枚典型的固體燃料發(fā)動機火箭。

我們來看這臺“固體火箭發(fā)動機”：從結(jié)構(gòu)上發(fā)動機會有外殼、兩端的封堵、推進劑、延時藥和效果藥組成，同時在底部封堵上開了個孔用來讓推進劑燃燒時產(chǎn)生的高溫高壓氣體噴出，這時候“穿天猴”就獲得了向前推進的動力。帶著載荷（延時藥、效果藥）飛向天空。

那么今天的第一個課題來了——到底這枚“火箭”能不能飛？是一飛沖天，還是僅僅噴出絢麗的煙火，或者在地上動一動……所有的疑問就指向了“固體火箭發(fā)動機”的推力。如果推力指向地心的矢量大于火箭本體的重量那么這枚火箭就會在推力的作用下離開地面飛向天空。

推力怎么求呢？對于固體燃料火箭有一個快速的求值方法——噴口截面上的壓力·噴口面積。這是一個最簡單高效的計算方法。

當(dāng)然了，我們還可以用動量守恒公式來計算這個推力到底是多少

這里，推力就是咱們之前的最簡單的公式的擴展，m代表每秒噴出的燃?xì)饪傎|(zhì)量，v?則代表燃?xì)鈬姵龅乃俣龋琍?是當(dāng)前火箭噴口的壓力，P?則是當(dāng)前火箭噴口所在位置的大氣壓力，A?則是噴口截面積。

第二個公式比第一個公式更能描述穿天猴的真實推力情況，原因是它考慮了噴出的燃?xì)赓|(zhì)量的速（v?，米/秒）和率（m，千克/秒）和大氣固有的壓力（P?），但是如果是初略的計算穿天猴這種本身沒有多少裝藥、燃?xì)馑俣炔粔蚩斓摹肮腆w火箭發(fā)動機”我們就可以圖省事，直接忽略掉這些無關(guān)的量，于是就變成了：

這就回到了 咱們的第一個公式，事情就是這么簡單，其實到這一步還是小學(xué)數(shù)學(xué)。別覺得簡單，你要知道的一點是

是一切噴氣推進發(fā)動機的最基礎(chǔ)公式，我們不僅僅可以用這個公式計算穿天猴的推力，也可以利用這個公式來計算噴氣式發(fā)動機的推力，它屬于一個“萬能”公式。

在經(jīng)過了一系列的計算之后你會發(fā)現(xiàn)推力F可能悲催的不能推動你的“穿天猴”上天，怎么辦？

這里我們要引入一個工程學(xué)最樸實無華的概念：“水多了加面、面多了加水”，工程學(xué)上的所有舉動其實都是在添料或者妥協(xié)的勾兌。我們可以采用兩種方法讓推力F達(dá)到可以推動穿天猴上天的目的。第一個方法比較投機取巧，降低載荷量，也就是說把紙殼子里面的效果藥和延時藥的份量降低、或者把紙殼子做得更薄一些，我們就可以在不改變推進劑的前提下讓更少的載荷上天，簡單說就是維持了F不變，降低了整體質(zhì)量M。或者我們可以改變推進劑的配方讓它燃燒更劇烈、或者燃燒的時候放出的氣體更多，于是我們可以加大了推力F只要F>M那么火箭就可以飛起來。

不過，這件事的勾兌在小范圍內(nèi)是可以的，例如最高的追求從樸素的小農(nóng)意識中都可以想得到就是要獲得更大的推力F，本質(zhì)上就是要讓藥柱燃燒時候釋放更大的壓力，F(xiàn)=P·A嘛，但是當(dāng)壓力P達(dá)到一定數(shù)值后就可以撐爆固體火箭發(fā)動機的紙殼，這時候你得到的就不是一個“穿天猴”而是一只炮仗。

這是樸素得再樸素不過的道理了，到此似乎火箭發(fā)動機會陷入一個死循環(huán)，現(xiàn)在結(jié)構(gòu)學(xué)上的大神就會出現(xiàn)在咱們放穿天猴的事業(yè)中。

例如拉瓦爾噴管（de Laval nozzle）

傳統(tǒng)意義上如果是一根直筒狀沒有修改外形的噴管，噴口上的壓力是等于藥柱燃燒室內(nèi)的壓力的。但這里就有了一個流體動力學(xué)上的萬能原理“伯努利原理”，在W君上學(xué)的時候，老師有那么一句話叫做“遇事不決伯努利方程”。

在W君家里有一些超大的風(fēng)機以及排風(fēng)管道

風(fēng)機工作的時候會產(chǎn)生巨大噪音。遇事不決伯努利方程：

計算之后切除一段排風(fēng)管側(cè)壁直接改變了出風(fēng)口截面積，氣流速度改變，于是風(fēng)噪聲就大幅度削減。當(dāng)然了，還有一些筑波消除的方法。

這些東西都是可以應(yīng)用在日常生活中的。說回拉瓦爾噴管：

拉瓦爾噴管是一種很經(jīng)典的流體力學(xué)設(shè)計，能夠?qū)⒏邏簹怏w通過噴管的幾何形狀有效加速，從而顯著提升噴氣速度。這項技術(shù)是固體火箭發(fā)動機和噴氣推進系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。

在收縮段，燃?xì)鈴娜紵疫M入噴管時，噴管截面積逐漸減小。根據(jù)伯努利原理，氣流速度逐漸增大，壓力和溫度降低。

在拉瓦爾噴管的喉部，本來是亞音速的燃?xì)饩鸵呀?jīng)加速到了音速，這時候由于慣性的作用壓力極大的氣體還是會向后噴移動。

到了拉瓦爾噴管的擴張段，噴管截面積逐漸增大，高速燃?xì)鈿饬骼^續(xù)膨脹，速度進一步提升到超音速。

這樣一來，只有拉瓦爾噴管的部分區(qū)域承受高壓（做結(jié)實點就可以）而獲得了更快的燃?xì)鈬姵鏊俣??；仡^我們再看推力公式F等于什么來著？F=mv?+（P?-P?）A?，其中m沒有變化、P?些許下降，但是V?顯著提高，于是推力F也就大幅度提高了。

于是，我們做到了讓一個“穿天猴”在付出極小的結(jié)構(gòu)代價下攜帶更大的載荷升空了——到這個階段，大家應(yīng)該學(xué)會初中物理了。F=M·V 其實是動量公式的一個應(yīng)用特例，而（P?-P?）A?則是壓力公式F=P·A。

滿足了這個條件，即使是一瓶水，能向后噴出，也是可以升空飛行的。

它和穿天猴來比較本質(zhì)上除了能量來源不同實質(zhì)上是沒有任何區(qū)別的。為什么說這件事？發(fā)射火箭也可以烤燒開水來實現(xiàn)。

第一臺依靠噴水來達(dá)到升空效果的火箭預(yù)計在2027年投入運營，發(fā)射火箭的步驟就成了到湖里灌水-燒水-5、4、3、2、1 發(fā)射。

不過，目前“穿天猴”還會遇到一個問題，就是飛行極其不穩(wěn)定。理想化的噴氣效果是向后噴出均勻沒有干擾的燃?xì)?。但這只是理想化的結(jié)果，燃燒的不均勻、大氣的擾動、裝配的不平衡……等原因都會讓燃燒的氣體并不能依從我們的想法筆直的噴向穿天猴的后方。一絲一毫的擾動都可以造成飛行方向的偏移，這時候恭喜你，你已經(jīng)達(dá)到了印度的彈道導(dǎo)彈制造水平。

成功的制作了一枚咖喱味的布朗彈。怎么解決這個問題呢？這就需要用到了空氣動力學(xué)知識。

大部分穿天猴都會綁在一根木棍上。

在高速飛行的過程中，穿天猴在前部拖拽一根木棍飛行，如果如果這個結(jié)構(gòu)在飛行過程中傾斜，那么木棍所受到的阻力增大，就會產(chǎn)生一個控制力矩將整個結(jié)構(gòu)擺正到飛行方向上，也只有擺正到飛行方向上，飛行所受到的阻力最小，這樣一個飛行過程中的自穩(wěn)定結(jié)構(gòu)就被建立起來了。

至此你的火箭發(fā)射技術(shù)已經(jīng)明顯的高于了三哥的平均水平。但這個自穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的代價則是——太不優(yōu)雅了而且由于木棍的結(jié)構(gòu)重量消耗過大，使得咱們的“固體燃料火箭”載荷進一步減小。

那么優(yōu)雅的方案是什么樣子呢？加尾翼穩(wěn)定，這時候你就獲得了一個運載火箭的基本雛形。例如

或者改變發(fā)動機噴口方向，讓燃?xì)庖砸欢ń嵌葒姵?，這樣在飛行過程中火箭就可以依靠陀螺效應(yīng)保持穩(wěn)定，這樣你就獲得了一枚107mm火箭彈：

再或者利用傳感器去跟蹤姿態(tài)，通過主動的改變?nèi)細(xì)鈬娚浞较蚓S持飛行軌跡，這樣你就獲得了一枚Qiam-1導(dǎo)彈。

再或者綜合利用其中的兩三種方法，你就可以理解世界上大多數(shù)火箭或者導(dǎo)彈的氣動控制方式。

唉？不是手搓飛機嗎？把導(dǎo)彈和火箭的推進講這么清楚干飛機毛事情呢？不好意思，W君是從穿天猴的專業(yè)過來的，所以得從穿天猴的角度慢慢過渡。

現(xiàn)在大家看到的基本內(nèi)容都是讓一個物體離開地面，火箭發(fā)動機的特點就是推重比大于1，只要整體重量比推力F小，就統(tǒng)統(tǒng)的可以推到天上去。其實這就是航空界的一個俗語——“力大磚飛”。

有沒有可能小力磚也飛呢？那么咱們就得進入空氣動力學(xué)的范疇了。其實還是伯努利原理。

伯努利原理指出，當(dāng)氣流速度增加時，其壓強會降低。

我們可以做出一個形狀讓空氣改變速度。剛剛咱們提到的拉瓦爾噴管還記得嗎？就是靠曲面改變了空氣的流速，我們把這個曲面展開，讓曲面上的空氣流速增加，另一面的流速不變或者降低就可以形成一個機翼。

由于機翼的上下表面的空氣流速不同因此壓力也不成，只要你裝不反，那么機翼就可以產(chǎn)生向上的托舉力，也就是升力。因此，我們就可以得到一個升力公式

升力公式的推導(dǎo)其實也像推力公式的推導(dǎo)一樣有各種過程和取舍，但通常常用的升力公式就是上面這個其中ρ是指空氣密度，v則是空氣流動的速度，S為機翼面積，CL則是通過計算和測量得到的一個升力系數(shù)這里得說得一點：CL是測出來的并沒有太多手段來推導(dǎo)出來。不同的機翼翼形和飛行迎角的CL值都會有大幅度的變化。

因此，風(fēng)洞的一個主要功能就是用來測量機翼的CL值，怎么測呢？因為在風(fēng)洞測試中我們已知氣壓、已知流，也知道測試的機翼的面積，這時候再在機翼上安裝一個拉力計就可以知道這片機翼在風(fēng)洞的這些已知條件下產(chǎn)生了多大的升力——然后就是小學(xué)題了：

然后多測幾次不同氣壓不同速度的數(shù)據(jù)，均一下，就可以得出一個相對靠譜的CL值。

那么v怎么獲得呢？其實發(fā)動機從下向上推可以直接把火箭頂?shù)教焐先?，但是從后往前推?zé)可以把讓飛機向前加速。當(dāng)飛機和空氣產(chǎn)生速度差的時候v就自然有了。

既然有了機翼，也有了火箭發(fā)動機，我們就可以構(gòu)建出一架以火箭作為推動裝置的飛機。例如：

Me-163

這是一架由火箭發(fā)動機推動的戰(zhàn)斗機。結(jié)構(gòu)相當(dāng)簡單，就是一臺液體火箭發(fā)動機和一大堆燃料罐子。

當(dāng)年用于從機場緊急起飛去攻擊盟軍靠近的轟炸機。由于采用了推力強大的火箭發(fā)動機，這架小飛機具有160米/秒的爬升率，可以在不到1分半的時間內(nèi)出現(xiàn)在12000米的高空。這個速度是盟軍當(dāng)年最先進的戰(zhàn)斗機P-51的10倍。

我們從參數(shù)上可以看到這架飛機的起飛重量達(dá)到了4310公斤，而裝備中這架飛機上的火箭噴氣發(fā)動機的最大推力卻僅僅只有16.67千牛，也就是說它的推重比只有0.39，我們應(yīng)該看到的一個問題是如果只是靠火箭往上頂?shù)脑?，這架飛機是離不開地面的。這時候機翼就在起作用了。

還是升力公式，如果我們安裝Me-163的機翼造型取CL值為1.2，那么已知起飛重量為4310公斤和Me-163d機翼面積17.5m2，就可以計算出它的起飛速度：

v=57.3m/s

也就是大約206千米/時

為什么要知道這個數(shù)值呢？起飛速度實際上是這架飛機在海平面保持平飛的速度。如果速度繼續(xù)提高，那么就是升力公式中的v在變大，于是這架飛機就獲得了更大的升力L，當(dāng)L大于重量的時候，飛機就在升力的作用下爬升了。同樣，如果這架飛機的飛行速度低于了206千米/時L會小于飛機的重量，飛機也就會慢慢的落地?？雌饋硐袷菑U話，但要注意這是航空理論中精髓的部分。

那么能不能在海平面飛出更高的速度呢？例如這架Me-163在海平面飛行過程中維持300千米/時的速度呢？

這件事在很多人看似乎是再平常不過的事情了，但是放在飛機上做的確有難度。我們還是用升力公式來計算一下，300千米/時的速度折合成米/秒為 83.3米/秒，帶入公式我們會發(fā)現(xiàn)L變了

L=89264牛頓，這個力量足以讓兩架重為42268牛頓的Me-163同時起飛了。換句話說L變大，Me-163不可能在海平面高度上維持300千米時的速度平飛。

那么事實上這架飛機是可以在海平面高度以300千米/時的速度平飛的。我們回頭再看公式，升力公式中用什么補償速度變快而帶來的升力增加呢？

方案一、給飛機增加4795公斤的重量，這時候飛機的總重就可以達(dá)到89264牛頓，這樣就可以平衡升力L的增加。

方案二、飛行員爬出駕駛艙拆掉8.29平方米的機翼，這樣升力公式中的機翼面積S減小了，飛機在300千米/時的速度上可以提供等于飛機重量的升力。

似乎這兩種方案都不行吧？一則飛機在高速飛行過程中根本無法獲取到足夠額外的重量。除非

但是即便是空中加油也是一個循序漸進的過程。另外拆機翼就更不靠譜了通過拆掉機翼改變平飛速度這件事用大腳趾頭想都不現(xiàn)實。

那么方案三、抬起升降舵，靠氣動力矩來抵償升力。

像不像之前的穿天猴上綁著的棍子？有改變行進方向的趨勢就立刻用一個相反的力量補償。

只不過升降舵要拉起和維持住，并沒有穿天猴上的棍子那么自動化。當(dāng)然了，現(xiàn)在的飛機有自動配平裝置，可以保持升降舵和飛機速度的匹配關(guān)系。

從結(jié)構(gòu)上說這是一個緊固的張力釋放裝置

加到一定張力后本身是可以調(diào)節(jié)升降舵的“默認(rèn)”角度的。

能做到的事情就是在降低飛行員的拉桿力，同時在新的飛控系統(tǒng)的控制下也可以起到維持飛行高度的作用。

這里就要注意一點了——能量守恒：這是一種以犧牲動力的方式來維持高度的迫不得已的手段。

同時，它的維持范圍是有一個基本范圍的，并不可能無限的調(diào)節(jié)。

說到這里，就得看飛機的升力公式中還有一個參數(shù)ρ了，ρ是指空氣密度，在空氣密度越大的情況下就能提供越高的升力，同時，在空氣密度越小的情況下升力就會越小。升力小了要怎么辦呢？加大速度。

那么我們再看Me-163飛行的問題，它如果要在空中不借助損耗能量的配平方式進行300千米/時的速度平飛，除了拉下升降舵其實還可以提高飛行高度。

所以我們還會回到升力公式：

ρ=0.58公斤/立方米的時候，采用起飛的CL值，在300千米/時的飛行速度下，升力恰好和機身重量相等。那么空氣密度0.58公斤/立方米的高度是多高呢？約等于8680米。

是不是太高了？沒錯，在這個討論里面我們簡化了飛機在起飛的時候要放下襟翼的問題，放下襟翼后會極大的提高飛機機翼的升力系數(shù)，實際上在正常平飛的過程中飛機的是沒有那么大的升力系數(shù)的。飛機在平飛的時候升力系數(shù)只有放下襟翼的0.4-0.8，所以真正在300千米/時的平飛高度則是531米，而達(dá)到Me-163的作戰(zhàn)高度的時候，這架飛機的飛行速度則可以維持在502.6千米/時。如果繼續(xù)向高處飛，那么這架飛機的速度還可以繼續(xù)提高。在最高實用升限12600米的時候這架飛機的飛行速度可以達(dá)到860千米/小時。

還是剛才的問題——300千米/小時的速度是不是可以在12600米的高度維持呢？

如果按照公式來計算的話，在12600米的高度300千米/時的速度只能產(chǎn)生11293 牛頓的升力，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于飛機的重量，即便是在這個高度維持起飛的升力系數(shù)1.2的情況下也只有22586牛頓的升力，不足飛行器重量的一半。即便是在這個高度上以300千米/時的速度給它扔下去的話，它也會迅速下墜，難以維持高度。

所以……

你真當(dāng)天空是你家們口的馬路了?。?/p>

那么飛機到底是個啥呢？任何在大氣層內(nèi)飛行的飛行器都會遵循推力公式、升力公式、和阻力公式來運作，所以，高超音速踩腳剎車就能投彈完全不可能存在，您的這個減速做完了，正好就把自己送到了對方防空火力圈的槍口前，速度也沒有了，高度也不在了，這不叫投彈，這叫送人頭。

按照現(xiàn)在很多軍迷的想法，如果脫離了計算和公式，就看啥都簡單了。別說六代機能自己在家里搓出來，殲星艦都在家里床鋪底下藏著呢?？陀^的看很多現(xiàn)在的軍迷，連非洲的黑叔叔的認(rèn)知都比不了了。

看個穿裙子的就覺得是自己的心頭好了?？杀?！