都“六代机”了，讲讲如何手搓飞机，预警：此文不适合大多数人！

昨天有人问W君自己的专业学什么的，就好像W君的专业不能聊飞机一样。W君是做“穿天猴”的。咱们就以做“穿天猴”的专业视角来聊聊怎么手搓六代机。毕竟太多人甚至连“穿天猴”都不会做，那还聊什么航空设计呢？高能预警：这篇文章并不适合大多数人

敲黑板开课，今天的主题是让大家从一个“穿天猴”手搓出来六代机。

严格意义上来定义“穿天猴”，它就是一枚典型的固体燃料发动机火箭。

我们来看这台“固体火箭发动机”：从结构上发动机会有外壳、两端的封堵、推进剂、延时药和效果药组成，同时在底部封堵上开了个孔用来让推进剂燃烧时产生的高温高压气体喷出，这时候“穿天猴”就获得了向前推进的动力。带着载荷（延时药、效果药）飞向天空。

那么今天的第一个课题来了——到底这枚“火箭”能不能飞？是一飞冲天，还是仅仅喷出绚丽的烟火，或者在地上动一动……所有的疑问就指向了“固体火箭发动机”的推力。如果推力指向地心的矢量大于火箭本体的重量那么这枚火箭就会在推力的作用下离开地面飞向天空。

推力怎么求呢？对于固体燃料火箭有一个快速的求值方法——喷口截面上的压力·喷口面积。这是一个最简单高效的计算方法。

当然了，我们还可以用动量守恒公式来计算这个推力到底是多少

这里，推力就是咱们之前的最简单的公式的扩展，m代表每秒喷出的燃气总质量，vₑ则代表燃气喷出的速度，Pₑ是当前火箭喷口的压力，Pₐ则是当前火箭喷口所在位置的大气压力，Aₑ则是喷口截面积。

第二个公式比第一个公式更能描述穿天猴的真实推力情况，原因是它考虑了喷出的燃气质量的速（vₑ，米/秒）和率（m，千克/秒）和大气固有的压力（Pₐ），但是如果是初略的计算穿天猴这种本身没有多少装药、燃气速度不够快的“固体火箭发动机”我们就可以图省事，直接忽略掉这些无关的量，于是就变成了：

这就回到了 咱们的第一个公式，事情就是这么简单，其实到这一步还是小学数学。别觉得简单，你要知道的一点是

是一切喷气推进发动机的最基础公式，我们不仅仅可以用这个公式计算穿天猴的推力，也可以利用这个公式来计算喷气式发动机的推力，它属于一个“万能”公式。

在经过了一系列的计算之后你会发现推力F可能悲催的不能推动你的“穿天猴”上天，怎么办？

这里我们要引入一个工程学最朴实无华的概念：“水多了加面、面多了加水”，工程学上的所有举动其实都是在添料或者妥协的勾兑。我们可以采用两种方法让推力F达到可以推动穿天猴上天的目的。第一个方法比较投机取巧，降低载荷量，也就是说把纸壳子里面的效果药和延时药的份量降低、或者把纸壳子做得更薄一些，我们就可以在不改变推进剂的前提下让更少的载荷上天，简单说就是维持了F不变，降低了整体质量M。或者我们可以改变推进剂的配方让它燃烧更剧烈、或者燃烧的时候放出的气体更多，于是我们可以加大了推力F只要F>M那么火箭就可以飞起来。

不过，这件事的勾兑在小范围内是可以的，例如最高的追求从朴素的小农意识中都可以想得到就是要获得更大的推力F，本质上就是要让药柱燃烧时候释放更大的压力，F=P·A嘛，但是当压力P达到一定数值后就可以撑爆固体火箭发动机的纸壳，这时候你得到的就不是一个“穿天猴”而是一只炮仗。

这是朴素得再朴素不过的道理了，到此似乎火箭发动机会陷入一个死循环，现在结构学上的大神就会出现在咱们放穿天猴的事业中。

例如拉瓦尔喷管（de Laval nozzle）

传统意义上如果是一根直筒状没有修改外形的喷管，喷口上的压力是等于药柱燃烧室内的压力的。但这里就有了一个流体动力学上的万能原理“伯努利原理”，在W君上学的时候，老师有那么一句话叫做“遇事不决伯努利方程”。

在W君家里有一些超大的风机以及排风管道

风机工作的时候会产生巨大噪音。遇事不决伯努利方程：

计算之后切除一段排风管侧壁直接改变了出风口截面积，气流速度改变，于是风噪声就大幅度削减。当然了，还有一些筑波消除的方法。

这些东西都是可以应用在日常生活中的。说回拉瓦尔喷管：

拉瓦尔喷管是一种很经典的流体力学设计，能够将高压气体通过喷管的几何形状有效加速，从而显著提升喷气速度。这项技术是固体火箭发动机和喷气推进系统中的关键部件。

在收缩段，燃气从燃烧室进入喷管时，喷管截面积逐渐减小。根据伯努利原理，气流速度逐渐增大，压力和温度降低。

在拉瓦尔喷管的喉部，本来是亚音速的燃气就已经加速到了音速，这时候由于惯性的作用压力极大的气体还是会向后喷移动。

到了拉瓦尔喷管的扩张段，喷管截面积逐渐增大，高速燃气气流继续膨胀，速度进一步提升到超音速。

这样一来，只有拉瓦尔喷管的部分区域承受高压（做结实点就可以）而获得了更快的燃气喷出速度。回头我们再看推力公式F等于什么来着？F=mvₑ+（Pₑ-Pₐ）Aₑ，其中m没有变化、Pₑ些许下降，但是Vₑ显著提高，于是推力F也就大幅度提高了。

于是，我们做到了让一个“穿天猴”在付出极小的结构代价下携带更大的载荷升空了——到这个阶段，大家应该学会初中物理了。F=M·V 其实是动量公式的一个应用特例，而（Pₑ-Pₐ）Aₑ则是压力公式F=P·A。

满足了这个条件，即使是一瓶水，能向后喷出，也是可以升空飞行的。

它和穿天猴来比较本质上除了能量来源不同实质上是没有任何区别的。为什么说这件事？发射火箭也可以烤烧开水来实现。

第一台依靠喷水来达到升空效果的火箭预计在2027年投入运营，发射火箭的步骤就成了到湖里灌水-烧水-5、4、3、2、1 发射。

不过，目前“穿天猴”还会遇到一个问题，就是飞行极其不稳定。理想化的喷气效果是向后喷出均匀没有干扰的燃气。但这只是理想化的结果，燃烧的不均匀、大气的扰动、装配的不平衡……等原因都会让燃烧的气体并不能依从我们的想法笔直的喷向穿天猴的后方。一丝一毫的扰动都可以造成飞行方向的偏移，这时候恭喜你，你已经达到了印度的弹道导弹制造水平。

成功的制作了一枚咖喱味的布朗弹。怎么解决这个问题呢？这就需要用到了空气动力学知识。

大部分穿天猴都会绑在一根木棍上。

在高速飞行的过程中，穿天猴在前部拖拽一根木棍飞行，如果如果这个结构在飞行过程中倾斜，那么木棍所受到的阻力增大，就会产生一个控制力矩将整个结构摆正到飞行方向上，也只有摆正到飞行方向上，飞行所受到的阻力最小，这样一个飞行过程中的自稳定结构就被建立起来了。

至此你的火箭发射技术已经明显的高于了三哥的平均水平。但这个自稳定结构的代价则是——太不优雅了而且由于木棍的结构重量消耗过大，使得咱们的“固体燃料火箭”载荷进一步减小。

那么优雅的方案是什么样子呢？加尾翼稳定，这时候你就获得了一个运载火箭的基本雏形。例如

或者改变发动机喷口方向，让燃气以一定角度喷出，这样在飞行过程中火箭就可以依靠陀螺效应保持稳定，这样你就获得了一枚107mm火箭弹：

再或者利用传感器去跟踪姿态，通过主动的改变燃气喷射方向维持飞行轨迹，这样你就获得了一枚Qiam-1导弹。

再或者综合利用其中的两三种方法，你就可以理解世界上大多数火箭或者导弹的气动控制方式。

唉？不是手搓飞机吗？把导弹和火箭的推进讲这么清楚干飞机毛事情呢？不好意思，W君是从穿天猴的专业过来的，所以得从穿天猴的角度慢慢过渡。

现在大家看到的基本内容都是让一个物体离开地面，火箭发动机的特点就是推重比大于1，只要整体重量比推力F小，就统统的可以推到天上去。其实这就是航空界的一个俗语——“力大砖飞”。

有没有可能小力砖也飞呢？那么咱们就得进入空气动力学的范畴了。其实还是伯努利原理。

伯努利原理指出，当气流速度增加时，其压强会降低。

我们可以做出一个形状让空气改变速度。刚刚咱们提到的拉瓦尔喷管还记得吗？就是靠曲面改变了空气的流速，我们把这个曲面展开，让曲面上的空气流速增加，另一面的流速不变或者降低就可以形成一个机翼。

由于机翼的上下表面的空气流速不同因此压力也不成，只要你装不反，那么机翼就可以产生向上的托举力，也就是升力。因此，我们就可以得到一个升力公式

升力公式的推导其实也像推力公式的推导一样有各种过程和取舍，但通常常用的升力公式就是上面这个其中ρ是指空气密度，v则是空气流动的速度，S为机翼面积，CL则是通过计算和测量得到的一个升力系数这里得说得一点：CL是测出来的并没有太多手段来推导出来。不同的机翼翼形和飞行迎角的CL值都会有大幅度的变化。

因此，风洞的一个主要功能就是用来测量机翼的CL值，怎么测呢？因为在风洞测试中我们已知气压、已知流，也知道测试的机翼的面积，这时候再在机翼上安装一个拉力计就可以知道这片机翼在风洞的这些已知条件下产生了多大的升力——然后就是小学题了：

然后多测几次不同气压不同速度的数据，均一下，就可以得出一个相对靠谱的CL值。

那么v怎么获得呢？其实发动机从下向上推可以直接把火箭顶到天上去，但是从后往前推责可以把让飞机向前加速。当飞机和空气产生速度差的时候v就自然有了。

既然有了机翼，也有了火箭发动机，我们就可以构建出一架以火箭作为推动装置的飞机。例如：

Me-163

这是一架由火箭发动机推动的战斗机。结构相当简单，就是一台液体火箭发动机和一大堆燃料罐子。

当年用于从机场紧急起飞去攻击盟军靠近的轰炸机。由于采用了推力强大的火箭发动机，这架小飞机具有160米/秒的爬升率，可以在不到1分半的时间内出现在12000米的高空。这个速度是盟军当年最先进的战斗机P-51的10倍。

我们从参数上可以看到这架飞机的起飞重量达到了4310公斤，而装备中这架飞机上的火箭喷气发动机的最大推力却仅仅只有16.67千牛，也就是说它的推重比只有0.39，我们应该看到的一个问题是如果只是靠火箭往上顶的话，这架飞机是离不开地面的。这时候机翼就在起作用了。

还是升力公式，如果我们安装Me-163的机翼造型取CL值为1.2，那么已知起飞重量为4310公斤和Me-163d机翼面积17.5m²，就可以计算出它的起飞速度：

v=57.3m/s

也就是大约206千米/时

为什么要知道这个数值呢？起飞速度实际上是这架飞机在海平面保持平飞的速度。如果速度继续提高，那么就是升力公式中的v在变大，于是这架飞机就获得了更大的升力L，当L大于重量的时候，飞机就在升力的作用下爬升了。同样，如果这架飞机的飞行速度低于了206千米/时L会小于飞机的重量，飞机也就会慢慢的落地。看起来像是废话，但要注意这是航空理论中精髓的部分。

那么能不能在海平面飞出更高的速度呢？例如这架Me-163在海平面飞行过程中维持300千米/时的速度呢？

这件事在很多人看似乎是再平常不过的事情了，但是放在飞机上做的确有难度。我们还是用升力公式来计算一下，300千米/时的速度折合成米/秒为 83.3米/秒，带入公式我们会发现L变了

L=89264牛顿，这个力量足以让两架重为42268牛顿的Me-163同时起飞了。换句话说L变大，Me-163不可能在海平面高度上维持300千米时的速度平飞。

那么事实上这架飞机是可以在海平面高度以300千米/时的速度平飞的。我们回头再看公式，升力公式中用什么补偿速度变快而带来的升力增加呢？

方案一、给飞机增加4795公斤的重量，这时候飞机的总重就可以达到89264牛顿，这样就可以平衡升力L的增加。

方案二、飞行员爬出驾驶舱拆掉8.29平方米的机翼，这样升力公式中的机翼面积S减小了，飞机在300千米/时的速度上可以提供等于飞机重量的升力。

似乎这两种方案都不行吧？一则飞机在高速飞行过程中根本无法获取到足够额外的重量。除非

但是即便是空中加油也是一个循序渐进的过程。另外拆机翼就更不靠谱了通过拆掉机翼改变平飞速度这件事用大脚趾头想都不现实。

那么方案三、抬起升降舵，靠气动力矩来抵偿升力。

像不像之前的穿天猴上绑着的棍子？有改变行进方向的趋势就立刻用一个相反的力量补偿。

只不过升降舵要拉起和维持住，并没有穿天猴上的棍子那么自动化。当然了，现在的飞机有自动配平装置，可以保持升降舵和飞机速度的匹配关系。

从结构上说这是一个紧固的张力释放装置

加到一定张力后本身是可以调节升降舵的“默认”角度的。

能做到的事情就是在降低飞行员的拉杆力，同时在新的飞控系统的控制下也可以起到维持飞行高度的作用。

这里就要注意一点了——能量守恒：这是一种以牺牲动力的方式来维持高度的迫不得已的手段。

同时，它的维持范围是有一个基本范围的，并不可能无限的调节。

说到这里，就得看飞机的升力公式中还有一个参数ρ了，ρ是指空气密度，在空气密度越大的情况下就能提供越高的升力，同时，在空气密度越小的情况下升力就会越小。升力小了要怎么办呢？加大速度。

那么我们再看Me-163飞行的问题，它如果要在空中不借助损耗能量的配平方式进行300千米/时的速度平飞，除了拉下升降舵其实还可以提高飞行高度。

所以我们还会回到升力公式：

ρ=0.58公斤/立方米的时候，采用起飞的CL值，在300千米/时的飞行速度下，升力恰好和机身重量相等。那么空气密度0.58公斤/立方米的高度是多高呢？约等于8680米。

是不是太高了？没错，在这个讨论里面我们简化了飞机在起飞的时候要放下襟翼的问题，放下襟翼后会极大的提高飞机机翼的升力系数，实际上在正常平飞的过程中飞机的是没有那么大的升力系数的。飞机在平飞的时候升力系数只有放下襟翼的0.4-0.8，所以真正在300千米/时的平飞高度则是531米，而达到Me-163的作战高度的时候，这架飞机的飞行速度则可以维持在502.6千米/时。如果继续向高处飞，那么这架飞机的速度还可以继续提高。在最高实用升限12600米的时候这架飞机的飞行速度可以达到860千米/小时。

还是刚才的问题——300千米/小时的速度是不是可以在12600米的高度维持呢？

如果按照公式来计算的话，在12600米的高度300千米/时的速度只能产生11293 牛顿的升力，远远低于飞机的重量，即便是在这个高度维持起飞的升力系数1.2的情况下也只有22586牛顿的升力，不足飞行器重量的一半。即便是在这个高度上以300千米/时的速度给它扔下去的话，它也会迅速下坠，难以维持高度。

所以……

你真当天空是你家们口的马路了啊？

那么飞机到底是个啥呢？任何在大气层内飞行的飞行器都会遵循推力公式、升力公式、和阻力公式来运作，所以，高超音速踩脚刹车就能投弹完全不可能存在，您的这个减速做完了，正好就把自己送到了对方防空火力圈的枪口前，速度也没有了，高度也不在了，这不叫投弹，这叫送人头。

按照现在很多军迷的想法，如果脱离了计算和公式，就看啥都简单了。别说六代机能自己在家里搓出来，歼星舰都在家里床铺底下藏着呢。客观的看很多现在的军迷，连非洲的黑叔叔的认知都比不了了。

看个穿裙子的就觉得是自己的心头好了。可悲！