有哪些航空航天上的事实，没有一定航空航天知识的人不会相信？ 第1页

分享一个小技能：飞机的大概速度是可以“看”出来的。

1， 入门级：看头部的尖尖

先做个test，根据你目前的经验，通过以下三个头部比较三种飞机飞行速度的大小。

先说答案，从左至右，飞行速度依次增大。具体解释后面说。

飞机的种类繁多，飞行速度差别也特别大，从每小时100公里到10马赫，差别上百倍。首先说说如何从飞行器头部大概估算出其飞行速度。

按照从慢到快的顺序。

（1） 头部带螺旋桨的

看到带螺旋桨的飞机，首先确定飞行速度在音速以下。（螺旋桨飞机无法超音速， 因为飞机到达音速之前，螺旋桨尖部会最先到达音速，产生激波，阻力增大。此时增大动力，运气好的话，螺旋桨尖部可以冲破音障，但是紧接着，尖部靠内侧的部分又会到达音速，之后，螺旋桨更靠近内侧的地方会到达音速。总之，在飞行器到达音速之前，螺旋桨的不同部位一直在超音速。一方面飞机动力不够，另一方面，螺旋桨强度不够。所以，螺旋桨飞机无法超音速。）

可参见回答：

为什么音障出现在音速附近，是巧合吗？

如果是头部带螺旋桨，一般情况下为单发，即只有一台发动机，动力不会特别大。

综上，头部带螺旋桨的为单发螺旋桨飞机，飞行速度最多也就600+km/h。

经评论区提醒：二战后期，单发螺旋桨飞机可以飞到700多km/h。

（2） 头部为钝头圆弧形

这就是我们平时乘坐的现代化民航客机，对应于test题目中最左侧的图。

头部圆润无其他部件，采用比较先进的涡轮发动机（涡扇、涡喷、少量为涡桨），效率高。巡航速度约为800-1000km/h，这个速度是通航舒适度与经济性相互协调后确定的，并非是涡轮发动机的极限。发动机数量与载重量有关，与飞行速度没有多大关系。

头部为钝头体是亚音速的一个标志性设计，比如高铁，比如客机。因为在亚音速来流条件下，相同尺寸的飞机，钝头体设计能让流线尽量紧贴机身，使边界层不容易分离。而尖头体设计会带来更大的逆压梯度，造成形状阻力增大。所以，在亚音速条件下，钝头体的空气阻力远小于尖头体设计，二者大概相差几十倍。

（3） 头部带个窟窿的

上面这种头部带个窟窿的飞机产生于二战末期。当时螺旋桨飞机已经逐渐不能满足作战需求，改为了更为先进的喷气式飞机。涡轮喷气式发动机的基本工作原理是通过进气道吸气，对吸进的空气加压，然后燃油混合并燃烧，最后通过喷管将燃气喷出，获取动力。

而进气道（即机头处的窟窿）则是喷气式飞机的标志。这种飞机基本处于跨音速（0.8-1.2倍音速）飞行，速度大概在1000km/h以上，大多数为1300-1500km/h之间。当然，也有更快的，比如下图这厮。

也是前面有一窟窿，但是与其他不同的是，不仅窟窿里还有个尖锥，机头部位还安装了一个又尖又长的空速管。以后看到前面有尖就断定这是超音速飞机（1.2倍音速以上）肯定没错了，具体原因下节讲。

所以，窟窿加带尖会更快，最大速度在2100km/h以上。

（4） 头部是尖的

头部是尖的，对应于test中的第二张图。说明这肯定是超音速飞机。

声音在空气中传播，靠的是空气被压缩然后又复原的过程。音速就是空气被压缩又复原的极限速度。如果飞机到达音速，则堵在飞机前方的空气被压缩但是来不及恢复原状，密度会突然增大，同时，阻力也会突然增大，被挤压的这部分空气与周围没有被挤压的空气之间有一个明显的分界线，叫激波。激波形成后，阻力突然增大，形成音障。

飞机如果想超音速，必须在依靠一个锋利的尖尖刺破这层大密度的气体。也正因如此，超音速飞机前面才做成尖尖的样子。

总之，看到飞行器头部带尖，可以断定飞行速度肯定超过音速了，多数在1.2-4倍音速之间。

再补充两个例子：

地对空导弹，就是追着打飞机的那种，头部也是尖尖的。

还有就是子弹，通常亚音速子弹头部是圆的，超音速子弹头部是尖的。不过此处并不是那么绝对。

（5） 头部是个铲子

这种飞行器为乘波体（wave rider）结构，顾名思义，就是骑着激波飞的飞行器。属于高超声速飞行器，速度为5-10马赫。上面的X43A在大气层内，使用以氢气为燃料的超燃冲压发动机可以飞到9.8马赫。

关于乘波体的介绍参见最后一张最后一节，此处先不写。

（6） 头部为钝头体

看到钝头体飞机，首先想到的是普通的亚音速民航客机。但如果钝头体飞机以下面这种体位出现的话，你得知道，事情不是那么简单。

前面的飞机的飞行速度跟航天飞机根本就不是一个量级。另外，火箭头部也是圆圆的钝头体。严格意义来讲，我们所认为的飞机属于航空领域，即在大气层内部活动的飞行器，而航天飞机则会飞出大气层。但由于航天飞机也是一般飞机的外形，而且在大气层内飞行（或者叫掉落）的速度毕竟能到20马赫，所以，我就把航天飞机也写进来了。

有些人可能会有疑问，上一节中超音速飞机为了刺破压缩空气，头部做成了尖的形状，而火箭或者航天飞机速度更高了，为什么反而又把头做成了圆的。

把头做成圆的，的确会使飞机在突破音障的时候比较费力。但是火箭发动机推力大，这点阻碍不算什么。此时更多的需要考虑气动热。

火箭、航天飞机、弹道导弹等属于高超声速飞行器（飞行速度在6倍音速以上），此时由于气流摩擦，会对飞行器产生巨大的传热量。研究发现，高超声速飞行器头部的传热，与头部半径的平方根成逆相关，也就是说，头部越尖，传热量越大，飞行器越容易被烧毁。所以，这类飞行器头部都是钝头体，而不是尖的。

当然，头部并不是越钝越好。一方面是因为钝度越大，阻力越大，更重要的是，当头部钝度到达一定程度之后，会突然导致机身部位转捩（由层流到湍流）位置提前，机身部位一旦转捩提前，对飞行器来说是毁灭性的打击。

总结：通过观察飞行器头部，可以大致判断出飞行器的飞行速度。

头部带螺旋桨：600+km/h。

头部带窟窿：1000-2000km/h

头部带尖：2-5倍音速

头部带铲子：5-10倍音速

头部为钝头：800-1000km/h或者8倍音速以上。

2， 进阶级：看机翼

上面说了，头部为钝头，可能是青铜（普通民航客机），也可能是王者（能飞到大气层外的），再配合观察机翼，即可轻松判断出来哪个是王者。

（1） 双层翼

这种双层翼飞机大规模的使用是在一战期间，当时的飞机还用的活塞发动机，所以速度不够快，升力自然就小。

升力不够，个数来凑。所以就出现了这类有两层机翼的飞机。

现在，喷农药的植保飞机也会用到这种双层翼飞机，毕竟飞得太慢，防止掉下来就得通过增加机翼个数来达到基本的升力要求。

速度跟现在的普通轿车以及直升机差不多，100-200km/h。

不过这种飞机样子还挺萌的，适合当工艺品。

（2）平直翼

这种飞机常见于二战期间，由于发动机动力提升，速度提高，只需要一层机翼就能够有足够的升力。

但由于机翼是平直的，当飞行速度接近高亚音速（0.8倍音速）时，机翼上表面会出现激波，阻力突然增大，此时飞机要么动力不足，要么机身强度不够。

所以，平直机翼的飞机极限速度在800km/h以下。

（3）后掠翼

现在常见的民航客机都是这种后掠翼。由于平直翼飞机在到0.8马赫之后，机翼上表面出现激波，阻力增强，造成动力不足。将平直翼改为后掠翼，可以使飞行速度大于流过机翼的速度，可以防止激波提前到来，使飞行速度更接近音速。

后掠翼飞机飞行速度在八九百千米每小时以上。且后掠角越大，速度越快。

同理，也可以把平直翼改成前掠翼，在速度分解上和后掠翼一样，就是让绕过机翼的速度小于飞行速度，缩小飞机跨音速的过程。

前掠翼有很多个优点，比如机动性好（适合做战斗机）、升力更大（低速起降时性能好）、安全性好等，总之这是一种高低速都能胜任的优秀设计。

但之所以没有大规模普及应用，主要还是气动弹性发散的问题。“发散”是一个数学上的概念，用大白话来说就是“恶性循环”。正常的飞机，在受到气流作用后，翼尖部位会发生抖动，在大风天气下，客机降落的时候会看到机翼一直在上下颤动，而且幅度还特别大，看的人总以为机翼要断掉，但其实不必担心，因为这对后掠翼来说不是事儿。而前掠翼就不行了，这种颤动会导致机翼攻角增加，攻角增加会导致升力增加，升力增加又会导致机翼有更大的扭矩，更大的扭矩会带来更大的攻角，这就形成一种恶性循环，最终会使前掠翼折断。

后来，发展了刚度更大的复合材料，使前掠翼在的颤动幅度在允许的范围内。但是前掠翼仍然没有大范围推广。这其中的原因也说不清楚。所以，航空航天看似是飞速发展的高精尖科技，但是涉及到机理性的东西，很多问题都解释不清楚。比如说到现在，机翼为什么可以产生升力，谁都说不清楚。航空航天的发展，更多的是靠着大量的试验，摸索着前进的。不过各位也不用过多的担心，就好比虽然我们现在不知道自行车轮子转起来为什么可以不倒，但也不妨碍我们骑自行车。

（4）三角翼

机翼前缘后掠角非常大，后缘基本无后掠，俯视投影呈三角形的机翼叫三角翼。当年的协和客机和现代的战斗机均使用三角翼。在大迎角飞行时，三角翼前沿还能产生大量气流，附着在上翼面，能够提高升力，这种机翼在超音速时阻力特别小。

因此凡是三角翼的飞机，都是超音速飞机。速度在2-4倍音速。

（5） 机翼的展长

展长越长，飞行速度越慢。比如轰炸机，侦察机等，其定位就是向地面某些地方投掷炸弹，并不需要很高的速度。低速飞行条件下，为了维持足够的升力，需要将展长做的特别长。这就是所谓的升力不够，长度来凑。

上面的U2侦察机巡航速度600+km/h，极速能飞到810km/h。

同理，升力不够，速度来凑。机翼展长越小，说明飞行速度越快。比如，被称作“飞行棺材”或者“寡妇制造机”的F104。为了过度追求高空高速，机翼被设计的极其短小，一旦出现问题，都没办法滑翔落地。

3， 补充：气动布局介绍

前面两章讲了判断速度。再简要介绍一下飞机的气动布局。

气动布局指的是飞机的主翼（提供升力）、水平尾翼（控制俯仰）和垂直尾翼（控制偏航）如何排列放置在飞机上。通过气动布局基本可以判断出飞行器的功能特性。

气动布局主要分五种：常规式气动布局、鸭翼式气动布局，无尾气动布局，三翼面气动布局以及乘波体气动布局。

（1） 常规式气动布局

普通的民航客机就是用的常规式气动布局。即产生升力的主翼在前，控制偏航和俯仰的尾翼在后。技术最为成熟，应用最为广泛，稳定性好。

所以，看到常规式气动布局我们可以断定，这架飞机中规中矩，速度不快，安全舒适。

（2） 鸭翼式气动布局

上图中的国产J20,主翼为三角翼，在主翼前方有鸭翼，后方有尾翼。主翼既同前方的鸭翼一起产生升力，又与后方的尾翼一起配平与操控。因此失速特性和机动特性特别好。所以目前广泛应用于战斗机中。关于缺点，比较有争议的地方在于鸭翼会不会影响隐身性能，在此不做讨论。

以后看到飞机有鸭翼，你立马可以判断出：超音速战斗机，机动性好，空中格斗技术杠杠的。

（3） 无尾式气动布局

既没有尾翼、又没有鸭翼，只有主翼的气动布局叫无尾式气动布局。与鸭翼比起来，机动性与稳定性基本算是没有。只有一个优点，隐身性特别好。

所以，看到无尾式气动布局的飞机，可以断定，这是不怀好意的隐身机。由于机动性与稳定性差，肯定不是隐身战斗机。只可能是隐身轰炸机和隐身侦察机。

（4） 三翼面气动布局

在常规的气动布局上再加上鸭翼就成了三翼面气动布局。结合了常规气动布局以及鸭翼布局的优点。但是有这么多翼面，太复杂了，而且重量增加了，影响力续航与机动性。所以，目前三翼面布局的飞机并不多见。

图中可以看出，苏37的鸭翼、主翼、水平尾翼、垂直尾翼一个不少。

（5）乘波体布局

乘波体飞行器为高超声速飞行器，飞行马赫数在5-10之间。

简单来说，乘波体飞行器就像一块冲浪板，在空气中打水漂式的飞行。前体产生的激波附着在飞行器前缘上，激波为高压空气，托住飞行器。乘波体飞行器的升力来源于激波，而不是机翼。

另外，乘波体的前体部分对来流空气有压缩作用，可以给冲压发动机提供压缩空气。高超声速飞行器需要用冲压发动机，感兴趣的可以看看下面一段。

飞行速度与航空发动机之间的关系

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航空发动机简要来说分为三个阶段。

第一阶段是活塞发动机时代。

一战期间的飞机上挂的发动机为活塞式发动机，跟我们现在开的汽车上的发动机原理是一样的，只不过缸数多一点。后来由于动力需求增加，需要增加缸数，但这又会导致重量增加，活塞式发动机的效率已经到了极限，涡轮发动机应运而生。

第二阶段是涡轮发动机时代。

涡轮发动机的基本原理是：吸气，用压气机将吸进来的气压缩，送入燃烧室，燃烧后将燃气推动涡轮做工，然后通过喷管喷出。涡轮发动机前面是利用旋转叶片对空气进行加压，当飞行速度更快以后，这种加压方式失效。需要用冲压发动机。

第三阶段是冲压发动机时代。

当飞行器速度冲的更快以后，导致撞上的空气被压的压力很高，这样，涡轮发动机的压气机就不需要了，同时，涡轮也不需要了。将涡轮发动机的压气机和涡轮去掉，就变成了冲压发动机。

小结：发动机与飞行速度之间的关系为

老古董飞机和自制小飞机（400km/h以下）：用活塞发动机

亚音速飞机：涡喷、涡扇、涡桨（PS，由于低速时涡扇效率更高，所以涡扇更普遍）

超音速飞机（2-5倍音速）：涡扇和涡喷（PS，涡扇在高速时阻力更大，所以涡喷稍微更普遍）

高超音速飞机（5-10倍音速）：冲压发动机

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写到这里算是结束了，十分粗略的介绍了一下飞机外形与飞机速度之间存在的关联。下面做一道练习题。

由下图估算飞机速度与用途：

首先，机头为钝头体，机翼展长很大，且为常规气动布局，排除高超声速飞行器的可能。初步锁定为亚音速飞机。

其次，机翼为后掠翼，且后掠角较大，进一步确定为高亚音速飞机。飞行速度大概为900-1000km/h。

很多台发动机，由于发动机数量仅与载重量有关，因此确定飞机载重量较大。但机身不够宽大，容量有限，排除运输机。

机翼下方载有炸弹，因此是轰炸机。

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公众号：陈二喜

会同步知乎的回答。

航天飞机的气动非常差劲，降落时的下降率基本相当于跳伞运动员的自由落体速度，直到最后时刻才会拉平。与其说是降落，不如说是摔下来。

民航客机的下滑道与地面夹角大约3°，而航天飞机为20°。如果从民航客机的巡航高度开始计时，到落地只要三分半钟。

NASA训练宇航员时为了模拟航天飞机糟糕的气动，改装了一架湾流，飞行时放下起落架并在空中开反推。

航天飞机也没有副驾驶，可能NASA觉得这个称呼对精英飞行员是一种侮辱。坐在左边的是指令长(Commander)，坐在右边的才叫Pilot。

没想到又有这么多人赞，附上油管的解说视频：

这是Bret Copeland在Stack Overflow's 2016 Remote Meetup的演讲。

如果你想自己体验一下航天飞机的降落，可以玩KSP、X-Plane，或者试试这个APP：

航空航天领域对动力的巨大需求是别的工程领域很难见到的，几百吨的客机要以接近音速飞行。或者几十吨的战斗机要以超过2倍音速飞行。再或者上千吨的火箭要克服地球引力进入太空。

但是因为对重量和油耗的敏感，又不能像汽车发动机，堆砌活塞气缸数量，加大排量或者装更大的涡轮，又或者像赛车一样牺牲寿命和可靠性来压榨出更大功率。

大约一样的重量空客A400M的动力TP400输出轴功率11000马力，而28缸71.5升排量的活塞发动机R-4360只有3500马力。当然他们相隔了半个多世纪。

航空发动机

波音777的动力通用电气GE90，干重8.3吨。每秒喷气1.4吨，制造极限推力57吨，由GE90开发来的燃气轮机LM9000输出功率75兆瓦。

也就是超过10万马力，是一台大众高尔夫1.6发动机的将近1000倍。

对比一下航海动力：

壳牌石油的Prelude FLNG这么大，全重（排水量）60万吨。发动机输出6700马力，当然这东西不需要乘风破浪快速移动。

蓝色马林鱼号排水量7万6千吨，发动机功率1万7马力。

说回LM9000，它还可以实现超过7万小时的大修间隔。

没有女生手掌大的一片高压涡轮叶片，可以制造550马力。

扩展阅读：

跟航天发动机比，这只是个手无缚鸡之力的小朋友。

航天发动机

阿波罗登月的火箭土星5号，起飞全重3000吨。一级火箭有5台巨大的F-1煤油液氧发动机，每台输出700吨推力，而其干重只有8.3吨。

为了达到这么高的推力，5台F-1发动机每秒钟共烧掉将近13吨的氧气和燃料！(土星五号一级火箭燃烧时长168秒)

并在真空中以将近3公里每秒的速度喷出。

这么巨大的质量流。肯定不能像汽车发动机一样一个喷油嘴，它的燃烧室喷嘴是一个阵列。

为了在有限空间的燃烧室内烧掉更多的燃料，燃烧室压力不能太小。

比如航天飞机的主液氢液氧发动机SSME燃烧室压力206个大气压。

（容我先发几张航天飞机照片）

要知道，航天飞机起飞全重超过2000吨。

SSME和它的转生SLS火箭主发RS-25，为了实现这么高的燃烧室压。它的高压氢泵，输出57兆瓦也就是超过7万6千马力，再加上高压氧泵输出16兆瓦也就是超过2万1千马力。合计将近10万马力，将近100台布加迪威龙发动机的极限功率。

这只是泵的功率哦。

而它的体积一共才这么大，平均每1磅，450克的重量就能产生100马力轴功率。

而且这泵虽然工作在几万转，还不能用润滑油来润滑轴承，它的轴承是由零下一百多度的液氧润滑的。

再加其动力来自于预燃烧室，高热的贫氧燃烧气体推动涡轮，涡轮驱动同轴的泵。如果高热的未完全燃烧气体接触到纯氧，就直接爆炸了。这对涡轮泵的气密系统提出很大挑战。

它在燃气端和氧气端中间吹入惰性气体氦气来隔绝。

而最终实现的效果，化学火箭发动机燃烧室内的化学能转化功率可以达到丧心病狂的数据。

比如阿丽亚娜5号的主发动机火神2号。117倍大气压的燃烧室压力。

这说的是芯级火箭的主发动机，推力更大的固体火箭助推器扩展阅读：

燃烧室内化学能转化功率达到了每立方米85G瓦，是一台大众高尔夫发动机功率的超过一百万倍！

也是下图电厂发电功率的超过40倍。

而F-1发动机1963年就已经交付NASA，SSME在1981年就首飞了，还是可重复利用的哦（虽然还是贵的要死）。

通用电气GE90是1993年首次运行的。

这些也都不是什么极度前沿的“黑科技”，算是航空航天领域的“日常”吧。

扩展阅读，这个回答里面有一个SSME/RS-25测试视频：

为什么喷嘴后面有一串规律性的亮斑（马赫环），扩展阅读：

火箭发射失败的话，场面就壮观了。

现在没人说火箭只是个”超大号窜天猴“了吧？

我的知乎想法里有个火箭发射失败集锦视频：https://www.zhihu.com/pin/1004398314795724800

微信公众号：卢西Luft | 回复：「彩蛋」试试看

看的人多，也发到这了，就是这个：

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