載夢飛天
——九引擎大型模型火箭的設(shè)計制作與發(fā)射

文 黑龍江省雞西市第一中學(xué)高三（22）班 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月完成了一項艱巨的挑戰(zhàn)——九引擎大型模型火箭的設(shè)計與制作，并在我校第59屆田徑運(yùn)動會開幕式進(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)動機(jī)作為動力，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，并在分離時不受額外阻力。

圖1

2.箭體

實際長度為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降落傘推動活塞，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)動機(jī)豎直向上固定。為將四個助推器內(nèi)的開傘氣體（由發(fā)動機(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)計完畢后，為了使模型美觀，我們按照模型火箭的尺寸設(shè)計了貼紙。

5.發(fā)射系統(tǒng)

分為發(fā)射架、點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，如果無法保證九枚發(fā)動機(jī)同時點燃，就會出現(xiàn)嚴(yán)重跑偏事故。為此，在點火電路與控制電路中設(shè)計有大電流繼電器及大功率二極管以完成點火和通路檢測。

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

圖2

圖3

二、發(fā)射觀測

為測得模型火箭的實際飛行高度，在發(fā)射前，我分別在國旗臺前和教學(xué)樓五樓設(shè)置了 、 觀測點（圖 3）。

圖4

如圖4所示， 為無人航拍機(jī)測得觀測點

與發(fā)射點 的相對高度，觀測點 與 點位于同一水平面， 為火箭上升的最高點， 為觀測點 測得觀測點 仰角（亦為觀測點 測得觀測點 俯角）， 與 分別為觀測點、測得火箭上升最高點仰角。

由圖4可得，

在觀測中，測得 為81°， 為37°，為4°，代入表達(dá)式得上升高度約為120m。

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

三、分析總結(jié)

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