劉枳麟

在學(xué)校的大力支持下，我?guī)ьI(lǐng)科學(xué)技術(shù)社團(tuán)的成員在2018年6月完成了一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)——九引擎大型模型火箭的設(shè)計(jì)與制作，并在我校第59屆田徑運(yùn)動(dòng)會(huì)開幕式進(jìn)行了發(fā)射表演。

區(qū)別于其他模型火箭，我們使用九枚模型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，并且增加了標(biāo)語條幅，在開傘后打開展示（圖1）。

一、設(shè)計(jì)方案

本模型火箭的結(jié)構(gòu)主要分為整流罩、箭體、助推器、底座四部分，并配有特殊發(fā)射系統(tǒng)。模型火箭升空后，利用發(fā)動(dòng)機(jī)開傘劑燃燒產(chǎn)生的大量氣體推出條幅及降落傘。

1.整流罩

外形分為圓錐、圓柱、圓臺(tái)三部分。圓錐使用扇形銅版紙粘合，圓柱使用矩形銅版紙粘合，圓臺(tái)使用扇弧銅版紙粘合。整流罩圓柱下端設(shè)有倒置泡沫塑料圓錐，以保證整流罩可安放在箭體上，并在分離時(shí)不受額外阻力。

2.箭體

實(shí)際長度為1 250mm，直徑100mm，頂部50mm被整流罩遮擋。箭體內(nèi)襯使用酚醛塑料（電木）薄片圍成，外襯使用銅版紙粘合。箭體下部有一個(gè)阻燃活塞，上部有條幅和降落傘，降落傘在條幅之上（均被特殊折疊并涂有滑石粉）。條幅與降落傘間有一個(gè)降落傘推動(dòng)活塞，使用尼龍線連接并連接于箭體。整流罩與箭體之間也用尼龍線連接，防止解體。箭體兩側(cè)上固定有小段吸管以安裝定向滑軌。

3.助推器

外形分為圓錐、圓柱兩部分。圓錐部分用扇形圍成，內(nèi)襯使用電木薄片，與箭體間使用海綿雙面膠粘接。

4.底座

使用3D打印技術(shù)成型，以保證九枚發(fā)動(dòng)機(jī)豎直向上固定。為將四個(gè)助推器內(nèi)的開傘氣體（由發(fā)動(dòng)機(jī)向內(nèi)釋放）導(dǎo)入箭體以增強(qiáng)開傘力度，在助推器與箭體連接處設(shè)計(jì)了導(dǎo)氣孔。底座與箭體用螺栓固定，并用膠帶與助推器間固定。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完畢后，為了使模型美觀，我們按照模型火箭的尺寸設(shè)計(jì)了貼紙。

5.發(fā)射系統(tǒng)

分為發(fā)射架、點(diǎn)火電路和控制電路三部分。發(fā)射架用刷過漆的鋼筋焊接而成，其上附有發(fā)射導(dǎo)軌和墊板。墊板底部與發(fā)射架間用釹鐵硼合金強(qiáng)力磁石固定，發(fā)射導(dǎo)軌固定在墊板上。

發(fā)射模型火箭時(shí)，如果無法保證九枚發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)點(diǎn)燃，就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重跑偏事故。為此，在點(diǎn)火電路與控制電路中設(shè)計(jì)有大電流繼電器及大功率二極管以完成點(diǎn)火和通路檢測(cè)。

點(diǎn)火電路使用六節(jié)18650動(dòng)力鋰電池作為電源，點(diǎn)火時(shí)最大電流輸出可達(dá)30A，電壓8.4V?？刂齐娐分糜诳刂婆_(tái)內(nèi)，控制臺(tái)面板設(shè)有安全鎖、總開關(guān)、電壓表、通路顯示、發(fā)射保險(xiǎn)、點(diǎn)火按鈕。點(diǎn)火電路與控制臺(tái)間用VGA接頭以及10m信號(hào)線連接。

二、發(fā)射觀測(cè)

為測(cè)得模型火箭的實(shí)際飛行高度，在發(fā)射前，我分別在國旗臺(tái)前和教學(xué)樓五樓設(shè)置了A、B觀測(cè)點(diǎn)（圖3）。

如圖4所示，BC為無人航拍機(jī)測(cè)得觀測(cè)點(diǎn)B與發(fā)射點(diǎn)O的相對(duì)高度，觀測(cè)點(diǎn)A與O點(diǎn)位于同一水平面，R為火箭上升的最高點(diǎn)，α為觀測(cè)點(diǎn)A測(cè)得觀測(cè)點(diǎn)B仰角（亦為觀測(cè)點(diǎn)B測(cè)得觀測(cè)點(diǎn)A俯角），θA與θB分別為觀測(cè)點(diǎn)A、B測(cè)得火箭上升最高點(diǎn)仰角。

由圖4可得，

AR= =

綜上，OR=sinθA

在觀測(cè)中，測(cè)得θA為81°，θB為37°，α為4°，代入表達(dá)式得上升高度約為120m。

在模型火箭達(dá)到最高點(diǎn)后，開傘劑燃燒，推出條幅及降落傘，壯觀的發(fā)射場(chǎng)面獲得了全校師生的掌聲。

三、分析總結(jié)

在理論計(jì)算中，并未計(jì)算空氣阻力及發(fā)射傾角的影響，而在發(fā)射現(xiàn)場(chǎng)遇到的上升氣流在一定程度上能減少空氣阻力的影響。由于自制測(cè)角儀精度有限（只能精確至1°），測(cè)量高度具有±3m的誤差范圍，故可認(rèn)為理論值與觀測(cè)值基本符合。（指導(dǎo)老師：楊啟厚 張志鋒）