昨天有人問W君自己的專業學什麼的，就好像W君的專業不能聊飛機一樣。W君是做“穿天猴”的。咱們就以做“穿天猴”的專業視角來聊聊怎麼手搓六代機。畢竟太多人甚至連“穿天猴”都不會做，那還聊什麼航空設計呢？高能預警：這篇文章並不適合大多數人

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。

嚴格意義上來定義“穿天猴”，它就是一枚典型的固體燃料發動機火箭。

我們來看這台“固體火箭發動機”：從結構上發動機會由外殼、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。帶着載荷（延時藥、效果藥）飛向天空。

那麼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“固體火箭發動機”的推力。如果推力指向地心的矢量大於火箭本體的重量那麼這枚火箭就會在推力的作用下離開地面飛向天空。

推力怎麼求呢？對於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。

當然了，我們還可以用動量守恆公式來計算這個推力到底是多少

這裡，推力就是咱們之前的最簡單的公式的擴展，m代表每秒噴出的燃氣總質量，vₑ則代表燃氣噴出的速度，Pₑ是當前火箭噴口的壓力，Pₐ則是當前火箭噴口所在位置的大氣壓力，Aₑ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氣質量的速（vₑ，米/秒）和率（m，千克/秒）和大氣固有的壓力（Pₐ），但是如果是粗略的計算穿天猴這種本身沒有多少裝藥、燃氣速度不夠快的“固體火箭發動機”我們就可以圖省事，直接忽略掉這些無關的量，於是就變成了：

這就回到了 咱們的第一個公式，事情就是這麼簡單，其實到這一步還是小學數學。別覺得簡單，你要知道的一點是

是一切噴氣推進發動機的最基礎公式，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動機的推力，它屬於一個“萬能”公式。

在經過了一系列的計算之後你會發現推力F可能悲催的不能推動你的“穿天猴”上天，怎麼辦？

這裡我們要引入一個工程學最樸實無華的概念：“水多了加面、面多了加水”，工程學上的所有舉動其實都是在添料或者妥協的勾兌。我們可以採用兩種方法讓推力F達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，也就是說把紙殼子裡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，於是我們可以加大了推力F只要F>M那麼火箭就可以飛起來。

不過，這件事的勾兌在小範圍內是可以的，例如最高的追求從樸素的小農意識中都可以想得到就是要獲得更大的推力F，本質上就是要讓藥柱燃燒時候釋放更大的壓力，F=P·A嘛，但是當壓力P達到一定數值後就可以撐爆固體火箭發動機的紙殼，這時候你得到的就不是一個“穿天猴”而是一隻炮仗。

這是樸素得再樸素不過的道理了，到此似乎火箭發動機會陷入一個死循環，現在結構學上的大神就會出現在咱們放穿天猴的事業中。

例如拉瓦爾噴管（de Laval nozzle）

傳統意義上如果是一根直筒狀沒有修改外形的噴管，噴口上的壓力是等於藥柱燃燒室內的壓力的。但這裡就有了一個流體動力學上的萬能原理“伯努利原理”，在W君上學的時候，老師有那麼一句話叫做“遇事不決伯努利方程”。

在W君家裡有一些超大的風機以及排風管道

風機工作的時候會產生巨大噪音。遇事不決伯努利方程：

計算之後切除一段排風管側壁直接改變了出風口截面積，氣流速度改變，於是風噪聲就大幅度削減。當然了，還有一些駐波消除的方法。

這些東西都是可以應用在日常生活中的。說回拉瓦爾噴管：

拉瓦爾噴管是一種很經典的流體力學設計，能夠將高壓氣體通過噴管的幾何形狀有效加速，從而顯著提升噴氣速度。這項技術是固體火箭發動機和噴氣推進系統中的關鍵部件。

在收縮段，燃氣從燃燒室進入噴管時，噴管截面積逐漸減小。根據伯努利原理，氣流速度逐漸增大，壓力和溫度降低。

在拉瓦爾噴管的喉部，本來是亞音速的燃氣就已經加速到了音速，這時候由於慣性的作用壓力極大的氣體還是會向後噴移動。

到了拉瓦爾噴管的擴張段，噴管截面積逐漸增大，高速燃氣氣流繼續膨脹，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域承受高壓（做結實點就可以）而獲得了更快的燃氣噴出速度。回頭我們再看推力公式F等於什麼來着？F=mvₑ+（Pₑ-Pₐ）Aₑ，其中m沒有變化、Pₑ些許下降，但是Vₑ顯著提高，於是推力F也就大幅度提高了。

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

滿足了這個條件，即使是一瓶水，能向後噴出，也是可以升空飛行的。

它和穿天猴來比較本質上除了能量來源不同實質上是沒有任何區別的。為什麼說這件事？發射火箭也可以靠燒開水來實現。

第一台依靠噴水來達到升空效果的火箭預計在2027年投入運營，發射火箭的步驟就成了到湖裡灌水-燒水-5、4、3、2、1 發射。

不過，目前“穿天猴”還會遇到一個問題，就是飛行極其不穩定。理想化的噴氣效果是向後噴出均勻沒有干擾的燃氣。但這只是理想化的結果，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並不能依從我們的想法筆直的噴向穿天猴的後方。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，你已經達到了印度的彈道導彈製造水平。

成功的製作了一枚咖喱味的布朗彈。怎麼解決這個問題呢？這就需要用到了空氣動力學知識。

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，如果這個結構在飛行過程中傾斜，那麼木棍所受到的阻力增大，就會產生一個控制力矩將整個結構擺正到飛行方向上，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定結構就被建立起來了。

至此你的火箭發射技術已經明顯的高於了三哥的平均水平。但這個自穩定結構的代價則是——太不優雅了而且由於木棍的結構重量消耗過大，使得咱們的“固體燃料火箭”載荷進一步減小。

那麼優雅的方案是什麼樣子呢？加尾翼穩定，這時候你就獲得了一個運載火箭的基本雛形。例如

或者改變發動機噴口方向，讓燃氣以一定角度噴出，這樣在飛行過程中火箭就可以依靠陀螺效應保持穩定，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，通過主動的改變燃氣噴射方向維持飛行軌跡，這樣你就獲得了一枚Qiam-1導彈。

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火箭或者導彈的氣動控制方式。

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

現在大家看到的基本內容都是讓一個物體離開地面，火箭發動機的特點就是推重比大於1，只要整體重量比推力F小，就統統的可以推到天上去。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？那麼咱們就得進入空氣動力學的範疇了。其實還是伯努利原理。

伯努利原理指出，當氣流速度增加時，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。

由於機翼的上下表面的空氣流速不同因此壓力也不同，只要你裝不反，那麼機翼就可以產生向上的托舉力，也就是升力。因此，我們就可以得到一個升力公式

升力公式的推導其實也像推力公式的推導一樣有各種過程和取捨，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係數這裡得說得一點：CL是測出來的並沒有太多手段來推導出來。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，風洞的一個主要功能就是用來測量機翼的CL值，怎麼測呢？因為在風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洞的這些已知條件下產生了多大的升力——然後就是小學題了：

然後多測幾次不同氣壓不同速度的數據，均一下，就可以得出一個相對靠譜的CL值。

那麼v怎麼獲得呢？其實發動機從下向上推可以直接把火箭頂到天上去，但是從後往前推則可以讓飛機向前加速。當飛機和空氣產生速度差的時候v就自然有了。

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

Me-163

這是一架由火箭發動機推動的戰鬥機。結構相當簡單，就是一台液體火箭發動機和一大堆燃料罐子。

當年用於從機場緊急起飛去攻擊盟軍靠近的轟炸機。由於採用了推力強大的火箭發動機，這架小飛機具有160米/秒的爬升率，可以在不到1分半的時間內出現在12000米的高空。這個速度是盟軍當年最先進的戰鬥機P-51的10倍。

我們從參數上可以看到這架飛機的起飛重量達到了4310公斤，而裝備中這架飛機上的火箭噴氣發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，我們應該看到的一個問題是如果只是靠火箭往上頂的話，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，那麼已知起飛重量為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

為什麼要知道這個數值呢？起飛速度實際上是這架飛機在海平面保持平飛的速度。如果速度繼續提高，那麼就是升力公式中的v在變大，於是這架飛機就獲得了更大的升力L，當L大於重量的時候，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於了206千米/時L會小於飛機的重量，飛機也就會慢慢的落地。看起來像是廢話，但要注意這是航空理論中精髓的部分。

那麼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，帶入公式我們會發現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。

那麼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，升力公式中用什麼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於飛機重量的升力。

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實。

那麼方案三、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着的棍子？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，並沒有沖天猴上的棍子那麼自動化。當然了，現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係。

從結構上說這是一個緊固的張力釋放裝置

加到一定張力後本身是可以調節升降舵的“默認”角度的。

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

這裡就要注意一點了——能量守恆：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，它的維持範圍是有一個基本範圍的，並不可能無限的調節。

說到這裡，就得看飛機的升力公式中還有一個參數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。升力小了要怎麼辦呢？加大速度。

那麼我們再看Me-163飛行的問題，它如果要在空中不藉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，採用起飛的CL值，在300千米/時的飛行速度下，升力恰好和機身重量相等。那麼空氣密度0.58公斤/立方米的高度是多高呢？約等於8680米。

是不是太高了？沒錯，在這個討論裡面我們簡化了飛機在起飛的時候要放下襟翼的問題，放下襟翼後會極大的提高飛機機翼的升力係數，實際上在正常平飛的過程中飛機的是沒有那麼大的升力係數的。飛機在平飛的時候升力系數只有放下襟翼的0.4-0.8，所以真正在300千米/時的平飛高度則是531米，而達到Me-163的作戰高度的時候，這架飛機的飛行速度則可以維持在502.6千米/時。如果繼續向高處飛，那麼這架飛機的速度還可以繼續提高。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/時的速度只能產生11293 牛頓的升力，遠遠低於飛機的重量，即便是在這個高度維持起飛的升力係數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……

你真當天空是你家門口的馬路了啊？

那麼飛機到底是個啥呢？任何在大氣層內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裡搓出來，殲星艦都在家裡床鋪底下藏着呢。客觀的看很多現在的軍迷，連非洲的黑叔叔的認知都比不了了。