載夢飛天

劉枳麟

在學校的大力支持下，我帶領科學技術社團的成員在2018年6月完成了一項艱巨的挑戰——九引擎大型模型火箭的設計與制作，并在我校第59屆田徑運動會開幕式進行了發射表演。

區別于其他模型火箭，我們使用九枚模型火箭發動機作為動力，并且增加了標語條幅，在開傘后打開展示（圖1）。

一、設計方案

本模型火箭的結構主要分為整流罩、箭體、助推器、底座四部分，并配有特殊發射系統。模型火箭升空后，利用發動機開傘劑燃燒產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。

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打印技術成型，以保證九枚發動機豎直向上固定。為將四個助推器內的開傘氣體（由發動機向內釋放）導入箭體以增強開傘力度，在助推器與箭體連接處設計了導氣孔。底座與箭體用螺栓固定，并用膠帶與助推器間固定。

在結構設計完畢后，為了使模型美觀，我們按照模型火箭的尺寸設計了貼紙。

5.發射系統

分為發射架、點火電路和控制電路三部分。發射架用刷過漆的鋼筋焊接而成，其上附有發射導軌和墊板。墊板底部與發射架間用釹鐵硼合金強力磁石固定，發射導軌固定在墊板上。

發射模型火箭時，如果無法保證九枚發動機同時點燃，就會出現嚴重跑偏事故。為此，在點火電路與控制電路中設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18650動力鋰電池作為電源，點火時最大電流輸出可達30A，電壓8.4V。控制電路置于控制臺內，控制臺面板設有安全鎖、總開關、電壓表、通路顯示、發射保險、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。

二、發射觀測

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

如圖4所示，BC為無人航拍機測得觀測點B與發射點O的相對高度，觀測點A與O點位于同一水平面，R為火箭上升的最高點，α為觀測點A測得觀測點B仰角（亦為觀測點B測得觀測點A俯角），θA與θB分別為觀測點A、B測得火箭上升最高點仰角。

由圖4可得，

AR= =

綜上，OR=sinθA

在觀測中，測得θA為81°，θB為37°，α為4°，代入表達式得上升高度約為120m。

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

三、分析總結

在理論計算中，并未計算空氣阻力及發射傾角的影響，而在發射現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，故可認為理論值與觀測值基本符合。（指導老師：楊啟厚 張志鋒）