中學物理知識在捆綁式多級水火箭研制中的應用

葉嘉程　宣金波　葉家輝

研究背景

水火箭是一項在中小學生科技比賽中較為普及的活動，但比賽中大多數同學制作的水火箭均為單級水火箭，只有極少數學生采用二級水火箭參賽。在國內，二級水火箭分離技術主要有氣囊技術和分離管技術。氣囊技術是把氣囊放在上級與下級之間，靠壓力差分離，這一技術雖然實現了全口徑噴射，但是由于上下級要分開充氣，不穩定，而且不能承受較高氣壓，容易在充氣時產生危險，也會影響射程。分離管技術則必須考慮氣密性問題，分離管的口徑只能做得較小，因而水火箭主體無法從下級借力，造成分離時瞬間的噴射力較小而無法達到較高的高度。目前，國內沒有較成熟的且能起導向作用的捆綁式水火箭。針對這一現象，為了提高水火箭的射程，我們課題小組決定利用中學物理知識研制捆綁式水火箭。

研究結果

捆綁部分的助推與分離

為了使水火箭獲得更高的飛行高度，課題組設計了捆綁式多級水火箭（見圖1）。捆綁式多級水火箭分為捆綁助推部分和主體，捆綁部分起到助推作用。

捆綁式多級水火箭的結構

捆綁式多級水火箭的捆綁部分由1個分離套筒、2組塑料扎帶和4個捆綁箭體組成。

分離套筒是2.5L汽水瓶截去瓶口、瓶底留下的瓶身，用來放置水火箭主體，并在主體與捆綁部分分離時，作為主體繼續上升的導向裝置。

捆綁箭體由4個二通單級水火箭組成。分離套筒與4個捆綁箭體用AB膠粘牢，并用捆綁扎帶將捆綁箭體緊緊連為一體。

捆綁部分分離的工作原理

發射時，4個捆綁箭體的噴口和主體的1個噴口同時噴水，由于5個噴口的直徑相同，主體的裝水量比單個捆綁箭體的裝水量要多得多。此時，根據動量守恒和牛頓第二定律，捆綁箭體的加速度比主體大，通過分離套筒給主體施加一個向上的力，捆綁箭體就起到助推的作用。當捆綁箭體內的水噴完后失去向上的動力，主體因裝水量大仍在噴水而繼續上升，此時主體就會與捆綁箭體發生分離。

主體的二次分離

目前，國內二級水火箭的分離大多采用氣囊技術或分離管技術。這兩種分離技術都是從水火箭的內部解決分離問題，課題組跳出固有的模式，試著從水火箭的外部進行上下級之間的連接與分離，最終利用摩擦力知識，設計了水火箭二次分離的分離套筒技術。

水火箭主體的結構

水火箭的主體結構由推進分離級（圖2）、空中釋放級、火箭頭、降落傘等組成。

推進分離級主要由分離膠塞、單向氣芯、瓶體等組成，結構如圖2所示。推進分離級的頂部裝有氣門的分離膠塞，分離膠塞能塞住空中釋放級的噴水口，使其氣體與水不外漏，起到密封作用；分離膠塞的另一端裝有如自行車氣門芯那樣的單向氣芯，給推進分離級充氣時，可通過單向氣門給空中釋放級充氣，但兩級箭體內的氣壓相差約1個大氣壓，另外推進分離級噴水釋放壓力時，單向氣芯能保持空中釋放級的氣壓不降低。

空中釋放級尾部用AB膠粘接分離套筒，頂部有帶降落傘的儲存艙，儲存艙上方放置火箭頭。

主體的兩級箭體連接：將推進分離級的頂部瓶體推入分離套筒（由于此時推進分離級尚未充氣，瓶體與分離套筒的摩擦力較小，很容易裝入），然后將推進分離級頂部的分離膠塞擠入空中釋放級的噴水口。

主體二次分離的工作原理

主體與捆綁部分分離后繼續噴水而上升，推進分離級噴水的同時，箭體內的氣壓降低，其與分離套筒2之間的壓力降低，它們之間的摩擦力也隨之降低。因為空中釋放級通過單向氣芯與推進分離級連接，所以推進分離級的氣壓降低，不影響空中釋放級內部的氣壓，兩級的氣壓差作用在分離膠塞上，當兩級氣壓差的作用力大于推進分離級與分離套筒之間的摩擦力時，空中釋放級就會推開分離膠塞，與推進分離級分離。

制作中的技術問題

箭身延長

為了使水火箭發射時產生的推力更持久，就需要增加箭體的儲水儲氣的容量。這個目的可以通過箭身延長達到。

把氣門芯的打氣部分去掉，獲得中空螺管。把大個汽水瓶瓶蓋和底部打孔（底部打孔不會破壞汽水瓶抗壓結構），把氣門芯大的圓頭通過底孔放在瓶蓋的背側，中間用自行車內胎剪成環裝的墊片墊好，涂上氣密膠，并用螺母旋緊。最后，將另一個汽水瓶的瓶口與瓶蓋旋緊。由于中空螺管的連接，兩個汽水瓶是相通的，這樣就增加了箭體的容量。

主體套筒分離部分

推進分離級制作時，首先將膠塞套在氣門的大頭上，頂部安裝單向閥。推進分離級的頂部選用1.25 L汽水瓶，在汽水瓶的底部打個通孔，將安裝好膠塞的螺管穿過通孔，裝上氣門芯，擰緊螺母。

制作空中釋放級時，將1.25L汽水瓶身，去頭去尾將尾部切口和空中釋放級的尾部分別涂上AB膠，對正粘上，并在對接處綁上兩圈防水膠帶。等待膠固化后即可使用。

捆綁部分

首先制作分離套筒。將2.5L汽水瓶去頭去尾，但保留頭部圓弧部分；然后制作捆綁箭體。利用箭身延長技術，將2個1.25L汽水瓶連成單個捆綁箭體，為了減少空氣阻力，中間用汽水瓶身相連。最后成形，用AB膠將分離套筒與4個捆綁箭體粘牢，再用塑料扎帶將4個捆綁箭體捆為一體。

發射架

為了配合水火箭發射，課題組先后設計制作了3個發射架，即簡易型發射架、穩定型發射架和捆綁式發射架。其中簡易型發射架和穩定型發射架是用來發射單個箭體的，而捆綁式發射架是針對捆綁式水火箭專門設計制作的發射架。

捆綁式水火箭發射實驗

發射實驗共進行了5次。每次發射前充氣，均以6個氣壓實驗。在最為成功的第5次實驗中，二級分離后人眼和攝像頭已經無法看見水火箭，等其下落后才能隱約看見。實驗時，可觀察到高空氣流較亂，水火箭被風吹向東南方向。水火箭是垂直發射的，而且發射時在助推階段是一直可以筆直上升的，但因為風的原因，水火箭降落后居然橫跨了半個校園，水平位移足有200m，可見其高度之高。估算其飛行總高度為180～200m。

該項目獲得第30屆全國青少年科技創新大賽中學組物理學一等獎。

專家評語

該項目設計制作的捆綁式多級水火箭，通過增加捆綁級助推，解決了捆綁級的助推與分離，使水火箭推進級分離后獲得較大的初速度。同時通過套筒分離技術，突破了從箭體內部控制分離的方法，解決了推進級與主體的分離。建議進一步改進裝置，增加可靠性和演示的觀賞性。endprint