(浙江省德清縣第一中學(xué),浙江 湖州 313200)

1 引言

在中國(guó)航天事業(yè)發(fā)展迅猛的背景下，許多學(xué)校在物理課外活動(dòng)中會(huì)開(kāi)展水火箭的制作活動(dòng)。在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生動(dòng)手制作和發(fā)射水火箭，既能將物理知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐，又能培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力，還激發(fā)了學(xué)生對(duì)科學(xué)的熱情。縱觀已有的一些實(shí)踐制作，筆者發(fā)現(xiàn)其中存在著一些問(wèn)題，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1) 水火箭很多都是使用橡膠塞發(fā)射，發(fā)射時(shí)機(jī)不可控，實(shí)驗(yàn)中存在安全隱患。

圖1

(2) 水火箭樣式單一，往往都是只用一個(gè)可樂(lè)瓶作為水火箭主體，水火箭發(fā)射高度比較低，觀賞性較差。

(3) 水火箭發(fā)射后沒(méi)有回收手段，直接掉在地面上后無(wú)法再次使用。

(4) 水火箭的飛行時(shí)間往往只有短短的幾秒時(shí)間，學(xué)生觀察起來(lái)比較困難。

針對(duì)以上問(wèn)題，筆者對(duì)水火箭的制作、發(fā)射、回收、觀測(cè)等各個(gè)階段進(jìn)行了一系列的改進(jìn)和創(chuàng)新，向?qū)W生展現(xiàn)了用水火箭模擬真實(shí)火箭發(fā)射的震撼場(chǎng)景，提高了水火箭的性能和安全性。

2 “超級(jí)”水火箭的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

如圖1所示，“超級(jí)”水火箭由4個(gè)1.25L和2個(gè)650mL的飲料瓶制作而成，配套水火箭發(fā)射器、降落傘遙控釋放系統(tǒng)和水火箭觀測(cè)系統(tǒng)，它具有以下顯著特點(diǎn)。

2.1 發(fā)射安全、可控

常規(guī)的水火箭使用橡膠塞發(fā)射，只有當(dāng)瓶?jī)?nèi)的氣壓達(dá)到能夠?qū)⑾鹉z塞擠出瓶口時(shí)，才會(huì)將水火箭發(fā)射出去。若塞子塞得過(guò)緊，會(huì)出現(xiàn)瓶?jī)?nèi)氣壓超過(guò)瓶子所能承受的壓力、膠塞沒(méi)有沖出瓶口的情況，水火箭會(huì)發(fā)生爆炸，帶來(lái)安全隱患。另外，這種發(fā)射裝置無(wú)法預(yù)知水火箭與橡膠塞脫離的時(shí)刻，發(fā)射的可控性較差。

筆者對(duì)此進(jìn)行了改進(jìn)，如圖2所示，采用定制的接口和發(fā)射器，用剎車線和剎車把控制水火箭的發(fā)射。如圖3所示，在進(jìn)氣管處安裝氣壓計(jì)，能夠?qū)崟r(shí)觀察瓶?jī)?nèi)氣壓，并把所有的器件安裝在自制發(fā)射架上。

2.2 可實(shí)現(xiàn)水火箭箭身的隨意組合

水火箭的發(fā)射高度與箭身瓶?jī)?nèi)水的體積有關(guān)，用單個(gè)瓶子制作的水火箭樣式單一，水火箭發(fā)射高度有限。若能將多個(gè)瓶子串接在一起，可以提高火箭的升空高度，使制作的水火箭仿真度得到提高。

利用空心螺栓將兩個(gè)瓶子連接起來(lái)(圖4),采用與瓶口螺紋相符的直通接頭(圖5)，可將水火箭的箭身隨意組合，增加水火箭的長(zhǎng)度，提高水火箭的發(fā)射高度。

2.3 巧妙實(shí)現(xiàn)一、二級(jí)火箭自動(dòng)分離

圖6為自制水火箭的二級(jí)分離器，該裝置巧妙利用了水火箭發(fā)射后一、二級(jí)瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)的變化，實(shí)現(xiàn)一、二級(jí)水火箭的自動(dòng)分離。

使用二級(jí)分離器將一、二兩級(jí)水火箭連接(圖7)，在水火箭充氣的過(guò)程中，分離器內(nèi)的單向閥門開(kāi)啟，給一級(jí)水火箭充氣的同時(shí)也可對(duì)二級(jí)水火箭充氣，而且使上下兩級(jí)內(nèi)的壓強(qiáng)差幾乎為零，橡膠管緊緊套住有機(jī)玻璃管，使一、二級(jí)水火箭緊密連接、不分離。在水火箭升空過(guò)程中，當(dāng)一級(jí)火箭中的水全部排空后，其內(nèi)氣壓迅速下降，而此時(shí)單向閥門關(guān)閉，二級(jí)水火箭瓶?jī)?nèi)的氣壓不變，在二級(jí)水火箭內(nèi)較高氣壓的作用下，橡膠管膨脹，一、二級(jí)水火箭分離。二級(jí)水火箭的水噴出，繼續(xù)向上二次加速，從而使水火箭的發(fā)射高度進(jìn)一步提高(極限充氣時(shí)可接近100米)。

2.4 水火箭回收可靠

為了確保實(shí)驗(yàn)裝置的重復(fù)使用和安全性，在每級(jí)火箭上都安裝了用綢布制作的降落傘。一級(jí)水火箭的降落傘安裝在一、二級(jí)水火箭的連接處，當(dāng)一、二級(jí)水火箭分離時(shí)，自動(dòng)帶出一級(jí)水火箭降落傘。如圖8所示，二級(jí)水火箭降落傘安裝在火箭頭部的特制彈射傘艙內(nèi)，它的釋放采用了可靠的遙控方式，即當(dāng)水火箭達(dá)到最高點(diǎn)后，地面遙控打開(kāi)傘艙，降落傘自動(dòng)彈出，順利打開(kāi)降落傘，實(shí)現(xiàn)水火箭的安全著陸。

圖8

2.5 水火箭發(fā)射場(chǎng)景震撼

本實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)了火箭發(fā)射的全模擬，場(chǎng)景震撼，筆者運(yùn)用多種方式對(duì)火箭發(fā)射進(jìn)行全程攝像，分為地面遠(yuǎn)處追蹤攝像、發(fā)射瞬間高速攝像、箭載攝像機(jī)攝像三個(gè)方面。

水火箭發(fā)射時(shí)火箭加速時(shí)間極短，很難看清發(fā)射瞬間升空的情景。發(fā)射瞬間的高速攝影是利用了手機(jī)的“慢動(dòng)作”攝像功能，以每秒240幀的速度攝像，播放時(shí)以每秒10幀播放，通過(guò)錄像可以清晰觀察到水火箭起飛時(shí)的情景(圖9)。

圖9

箭載攝像機(jī)安裝在二級(jí)火箭的隨箭設(shè)備艙內(nèi)，利用箭載攝像機(jī)，從水火箭的視角觀察發(fā)射情景(圖10)和降落傘打開(kāi)的情況(圖11)，這種情景以往只能在真實(shí)火箭的發(fā)射的過(guò)程中才能看到，極大調(diào)動(dòng)了學(xué)生的興趣。