李 江 覃敏杰 周素梅

一、引言

2019年6月25日，我國(guó)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載捆綁火箭成功發(fā)射第四十六顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星，鼓舞了廣大的火箭愛好者探索宇宙。作為物理教師，利用課余時(shí)間積極探索了一種適合于教學(xué)的火箭—水火箭。三助推捆綁水火箭也稱多節(jié)單體三助推水火箭，是水火箭的一種，是對(duì)單體單節(jié)水火箭的繼承和創(chuàng)新，由三個(gè)主推器和一個(gè)單體多節(jié)箭體組成。它能夠?qū)崿F(xiàn)三助推器和單體多節(jié)箭體的自動(dòng)分離，讓水火箭飛得更高，更遠(yuǎn)，它是目前已知的最先進(jìn)的水火箭，也是射程最高的水火箭之一，最高可達(dá)500 m。

二、研究背景

國(guó)內(nèi)有關(guān)三助推火箭的研發(fā)比較少，多為單節(jié)水火箭，射程比較近，一般50 m左右。國(guó)外關(guān)于水火箭的研究比較多，其中澳大利亞的一對(duì)父子對(duì)水火箭設(shè)計(jì)得最為先進(jìn)，射程更遠(yuǎn)，可達(dá)150 m以上，并實(shí)現(xiàn)三助推水火箭的有效回收，實(shí)現(xiàn)二次或多次利用，節(jié)約成本。

目前，國(guó)內(nèi)各個(gè)學(xué)校都在大力開展選修課，舉辦門類齊全的科技活動(dòng)，讓學(xué)生德智體美勞全面發(fā)展。其中，水火箭的制作是一門有趣的選修課科技活動(dòng)，大多數(shù)學(xué)校開展的水火箭制作是單級(jí)單節(jié)水火箭的制作，如何讓水火箭飛得更高、更遠(yuǎn)是科技活動(dòng)中一直在研究的問題，而如何將水火箭中蘊(yùn)含的物理知識(shí)應(yīng)用到物理教學(xué)中，也是教師一直在思考的問題。

三、科技活動(dòng)中三級(jí)助推水火箭的創(chuàng)新制作與發(fā)射

三助推捆綁火箭實(shí)物圖和結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 三助推捆綁火箭實(shí)物圖和結(jié)構(gòu)圖

1.主要部件的制作方法

(1)制作材料

1.25L的可口可樂瓶若干，空心螺絲若干，進(jìn)口膠水，密封膠，空心螺母若干，延時(shí)繼電器，方形電池，紙板，環(huán)氧樹脂管，電工膠布，瓶口連接器，噴嘴，舵機(jī)，導(dǎo)線等。

(2)主體箭體降落傘倉(cāng)和箭頭的制作

結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 水火箭降落傘倉(cāng)結(jié)構(gòu)圖

①將硬紙板切成2個(gè)直徑為9 cm的圓形紙板，再切2個(gè)長(zhǎng)為13 cm、寬為5 cm左右的紙板，按照?qǐng)D2所示將延時(shí)繼電器、方形電池和舵機(jī)組裝好。

②將環(huán)氧樹脂管切成圖3左一所示的結(jié)構(gòu)，并將另一個(gè)環(huán)氧樹脂管打磨形成圖3中右一所示的圓錐體。

圖3 環(huán)氧樹脂管制作圖

③按照?qǐng)D4所示的結(jié)構(gòu)組裝降落傘倉(cāng)和箭頭。

圖4 降落傘倉(cāng)和箭頭的組裝圖

(3)主體箭體和三個(gè)助推器的制作

①在距離可口可樂瓶瓶底1 cm左右的位置切開，用80 ℃的熱水燙一下切開的開口，然后將兩個(gè)切開瓶底的瓶子用膠水粘住(全口徑連接)，如圖5所示，這樣就制作出一個(gè)助推器。

圖5 助推器制作圖

②將另外制作好的3個(gè)如圖5的助推器用可口可樂連接器接好，這樣三助推捆綁水火箭就制作完成。

(4)助推器和主體箭體的連接裝置的制作

連接器的原理圖如圖6所示，將6個(gè)空心螺絲用進(jìn)口膠水固定在主體箭體上，然后在三個(gè)助推器上分別固定2個(gè)金屬不銹鋼扣子。

圖6 連接器的原理圖

2.三助推水火箭的發(fā)射

選擇一個(gè)無風(fēng)、空曠的環(huán)境進(jìn)行三助推水火箭的發(fā)射實(shí)驗(yàn)，將火箭的氣壓加到9個(gè)大氣壓后發(fā)射，三助推水火箭在強(qiáng)大的反沖力下高速飛向天空，飛到100 m左右時(shí)，三助推器和主體箭體分離，主體箭體繼續(xù)向上飛直至高壓水噴射完，達(dá)到150 m高時(shí)延時(shí)降落傘自動(dòng)打開，主箭體在降落傘的作用下緩慢落到地面(如圖7、圖8所示)。

圖7 發(fā)射瞬間

圖8 主體和助推器分離瞬間

四、三助推捆綁水火箭的創(chuàng)新性

1.動(dòng)力方面的創(chuàng)新性

傳統(tǒng)制作方法的單體水火箭的碰嘴只有一個(gè)，動(dòng)力小，射程近。三助推火箭實(shí)現(xiàn)了發(fā)射時(shí)4個(gè)噴嘴同時(shí)向下噴射高壓水柱，動(dòng)力更大，射程更遠(yuǎn)。

2.助推器和主體分離原理的創(chuàng)新性

助推器和主體分離的分離方式很多，常用的有重力分離、氣壓差分離，但這兩種方法均容易在高壓下漏氣，影響發(fā)射效果。這種三助推火箭的分離方式利用的原理是：在飛行過程中，當(dāng)三個(gè)助推器里的氣壓和水柱減小時(shí)，推力減小，三個(gè)助推器的速度慢慢減小，當(dāng)速度小于主體箭體的速度時(shí)，自動(dòng)和主體箭體分離。原理簡(jiǎn)單，易于制作，對(duì)氣密性要求降低了，保證了發(fā)射的質(zhì)量。

3.助推器和助推連接處的創(chuàng)新性

以前的實(shí)驗(yàn)中制作連接器用的是鋁板，給制作和使用過程中帶來了極大的不便。首先，鋁板較重，增大了火箭的負(fù)重，大大降低了火箭的射程；其次，鋁板要切割成一定的形狀，比較麻煩，成本較高；最后，鋁板比較軟，在強(qiáng)大的壓力下，容易變形，影響發(fā)射效果，發(fā)射后落在地面容易變形，不能多次利用。這款火箭使用進(jìn)口膠水固定空心螺絲，耐壓強(qiáng)，大大地減小了火箭的質(zhì)量。

4.降落傘打開方式的創(chuàng)新性

降落傘一般利用重力或空氣阻力打開，但這些打開方式穩(wěn)定性較差。本款火箭利用延時(shí)繼電器來控制降落傘的打開，穩(wěn)定性更高，而且能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制。

5.瓶與瓶之間“母母”連接的創(chuàng)新性

以前的實(shí)驗(yàn)中，瓶與瓶之間“母母”連接(“母母”指的是瓶底與瓶底)采用的是直徑為10 mm的空心螺絲，由于口徑小，水不能全部噴射出來，大大影響火箭的動(dòng)力和射程。而在本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的三助推水火箭中，瓶與瓶之間“母母”連接采用“全口徑連接”方式，瓶底與瓶底直接連接在一起，大大提高了出水的速率和出水量，有效地提高了射程。

五、結(jié)語

三助推捆綁水火箭的制作是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工作，教師和學(xué)生在研制三助推水火箭的過程中，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)精神和實(shí)踐創(chuàng)新能力。同時(shí)，學(xué)生在研制的過程中思維得到鍛煉，意志力得到提高，知識(shí)得到升華。在實(shí)踐過程中，通過不斷克服所面臨的技術(shù)問題，促進(jìn)水火箭技術(shù)的提高，實(shí)現(xiàn)水火箭飛得更高、更穩(wěn)定的目標(biāo)。