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模型火箭是一种广受欢迎的科普器材,主要包括头锥、箭体、尾翼、发动机,有的还会在箭体中加入降落伞与载重。本文介绍了一种简易模型火箭的制作方法,可培养学生的专业综合能力、创新能力和工程实践能力。
一、设计制作
使用Openrocket软件设计模型火箭图纸(如图1),并进行模拟仿真,改进设计。
1.头锥
一个合适的头锥对整个火箭的空气动力性能极为关键。常用的头锥一般有圆锥形、尖拱形、椭圆形、抛物线形等。其中抛物线形阻力较小,在真实的火箭中最常用,但制作较为麻烦,需要在车床上精确加工,费时费力。圆锥形头锥虽然阻力较大,但制作最简单,适用于简易模型火箭。
2.箭体
箭体用于容纳发动机、配重、降落伞以及连接头锥、固定尾翼,通常为圆柱状。在简易模型火箭中,箭体常用PVC水管制作,以防止因爆炸产生大量碎片而造成意外伤害。
3.尾翼
尾翼能增加箭体的稳定性,这对火箭能否在空中正常飞行有重要影响。模型火箭的尾翼通常有方形、圆形和翼形,其中翼形稳定系数最高。箭体上一般连接三到四片尾翼。
在大型模型火箭中,尾翼通常用边缘折起90°的铝板制作,再通过螺丝固定在箭体上,但这种方法不适合简易模型火箭的制作。我们的方法是:在箭体上画出尾翼与箭体的接触线,用红热的钢尺轻轻压在接触线上,钢尺的高温使接触线熔化成深约1mm的凹槽,冷却后将尾翼插进凹槽中,最后用纤维胶带固定,并渗入502胶水加固。
4.发动机
发动机为火箭提供动力,是火箭的心脏,它的性能决定整个火箭的性能。出于安全考虑,简易模型火箭通常采用非金属发动机。
发动机堵头建议用热融胶制作,它具有良好的热稳定性、固定性和粘接强度。喷口种类有很多种,较为常用的是拉瓦尔喷口和直喷口。拉瓦尔喷口是超音速喷口,可以很好地加速气流,用圆柱形石膏加工便可得到。直喷口不易被腐蚀,可以用水泥制作,简易方便。
5.药柱
简易模型火箭通常使用KNSU(硝酸钾-蔗糖)燃料为推进剂,硝酸钾与蔗糖的质量比通常为65∶35或60∶40,后者比较适合新手。KNSU推进剂常用的制作方法有熔铸法、热熔法、湿压法和重结晶法。
其中湿压法效果较差,熔铸法难度较高,都不建议使用。我们改进了热熔法,使其具有操作简便安全、燃烧性能优良的特点。当两种燃料混合之后,切忌用明火加热,即使用盐浴也要不断搅拌以防止局部过热引起自燃。
推进剂制作完毕后,需立刻装入隔热层或发动机中,加入干燥剂干燥,因为KNSU燃料吸湿性较大,要注意密封保存。
6.重心与压心
为保证火箭飞行的稳定,重心应在压心之前至少一个箭体直径的位置。因此在制作完毕后,需测试火箭的重心与压心。
先用一根细线将箭体悬挂,当火箭水平时,绳子在火箭上的位置即为重心。再在厚纸板上裁剪出箭体侧面的投影,然后用测定重心的方法1∶1找出纸板的重心,其对应在箭体上的位置即为压心。这种方法测出的压心不是很准确,可在箭体前部加一块配重块。由于新手制作的火箭推力普遍较小,配重块质量不能过大,以防止推力不足而导致火箭无法升空。
二、试车
在正式制作模型火箭时,应制作至少两个发动机以便检查效果。试车时可以计算一下燃烧时间,并估算压强。通常情况下,可以倒置发动机,并用砖块固定,以方便试车。多余的推进剂可进行开放燃烧测试(如图2),测试燃速等数据。
一、设计制作
使用Openrocket软件设计模型火箭图纸(如图1),并进行模拟仿真,改进设计。
1.头锥
一个合适的头锥对整个火箭的空气动力性能极为关键。常用的头锥一般有圆锥形、尖拱形、椭圆形、抛物线形等。其中抛物线形阻力较小,在真实的火箭中最常用,但制作较为麻烦,需要在车床上精确加工,费时费力。圆锥形头锥虽然阻力较大,但制作最简单,适用于简易模型火箭。
2.箭体
箭体用于容纳发动机、配重、降落伞以及连接头锥、固定尾翼,通常为圆柱状。在简易模型火箭中,箭体常用PVC水管制作,以防止因爆炸产生大量碎片而造成意外伤害。
3.尾翼
尾翼能增加箭体的稳定性,这对火箭能否在空中正常飞行有重要影响。模型火箭的尾翼通常有方形、圆形和翼形,其中翼形稳定系数最高。箭体上一般连接三到四片尾翼。
在大型模型火箭中,尾翼通常用边缘折起90°的铝板制作,再通过螺丝固定在箭体上,但这种方法不适合简易模型火箭的制作。我们的方法是:在箭体上画出尾翼与箭体的接触线,用红热的钢尺轻轻压在接触线上,钢尺的高温使接触线熔化成深约1mm的凹槽,冷却后将尾翼插进凹槽中,最后用纤维胶带固定,并渗入502胶水加固。
4.发动机
发动机为火箭提供动力,是火箭的心脏,它的性能决定整个火箭的性能。出于安全考虑,简易模型火箭通常采用非金属发动机。
发动机堵头建议用热融胶制作,它具有良好的热稳定性、固定性和粘接强度。喷口种类有很多种,较为常用的是拉瓦尔喷口和直喷口。拉瓦尔喷口是超音速喷口,可以很好地加速气流,用圆柱形石膏加工便可得到。直喷口不易被腐蚀,可以用水泥制作,简易方便。
5.药柱
简易模型火箭通常使用KNSU(硝酸钾-蔗糖)燃料为推进剂,硝酸钾与蔗糖的质量比通常为65∶35或60∶40,后者比较适合新手。KNSU推进剂常用的制作方法有熔铸法、热熔法、湿压法和重结晶法。
其中湿压法效果较差,熔铸法难度较高,都不建议使用。我们改进了热熔法,使其具有操作简便安全、燃烧性能优良的特点。当两种燃料混合之后,切忌用明火加热,即使用盐浴也要不断搅拌以防止局部过热引起自燃。
推进剂制作完毕后,需立刻装入隔热层或发动机中,加入干燥剂干燥,因为KNSU燃料吸湿性较大,要注意密封保存。
6.重心与压心
为保证火箭飞行的稳定,重心应在压心之前至少一个箭体直径的位置。因此在制作完毕后,需测试火箭的重心与压心。
先用一根细线将箭体悬挂,当火箭水平时,绳子在火箭上的位置即为重心。再在厚纸板上裁剪出箭体侧面的投影,然后用测定重心的方法1∶1找出纸板的重心,其对应在箭体上的位置即为压心。这种方法测出的压心不是很准确,可在箭体前部加一块配重块。由于新手制作的火箭推力普遍较小,配重块质量不能过大,以防止推力不足而导致火箭无法升空。
二、试车
在正式制作模型火箭时,应制作至少两个发动机以便检查效果。试车时可以计算一下燃烧时间,并估算压强。通常情况下,可以倒置发动机,并用砖块固定,以方便试车。多余的推进剂可进行开放燃烧测试(如图2),测试燃速等数据。