模型火箭基础与制作技术.pdf

1 模型火箭基础与制作技术 第一篇 模型火箭基础知识 一、模型火箭概述 二、模型火箭发射阶段 四、模型火箭动力飞行阶段 五、模型火箭惯性飞行阶段 六、模型火箭回收 七、模型火箭推力 八、模型火箭重量 九、模型火箭空气动力学 十、模型火箭升力 十一、模型火箭阻力 第二篇 模型火箭制作 第一节 概 述 第二节 材料和工具 第三节 模型火箭结构和制作 第四节 模型火箭组装和装饰 第五节 模型火箭燃料制作 第三篇 如何自制火箭 2 第一篇 模型火箭基础知识 一、模型火箭概述 模型火箭与真实火箭 模型火箭对学生来说是一个较安全与不昂贵的方法来学习力学原 理与火箭受到外力时的反应。学生也可以从中学到一些关於火箭的原理 与性能。我们来比较真实火箭与模型火箭这两者的相同与不同之处： 為了避免混淆，以下的“真实火箭“指一般运送人或物品进入太空中 的运载火箭；而“模型火箭“则指的是模型实验小火箭。 模型火箭在飞行时受到四种力：重力，推力，升力与阻力。同样的， 3 火箭在大气中飞行时也是受到这四种力的影响。但当火箭飞离大气层 后，因空气作用而產生的空气作用力（指升力与阻力）的影响就转弱了。 空气作用力的强弱受空气密度的影响，而空气密度随著高度递减，在大 气层外缘的时候趋近於零。对模型火箭来说，整个飞行过程皆处於低层 的大气裡，空气作用力（指升力与阻力）成為影响模型火箭飞行的重要 关键。在动力飞行的阶段火箭与模型火箭都需要靠推进系统飞行。模型 火箭有各种各样的小型固体火箭引擎可使用。也有些大型业餘模型火箭 是用液体引擎或是混合式引擎，但这是给较有资歷与经验的业餘火箭製 造者，在这裡不会讨论。火箭则有可能使用固体或液体引擎。通常在火 箭飞行的第一分鐘使用“捆绑“在火箭上的固体引擎，而在接下来的飞行 过程以及第二节火箭上使用液体引擎。对模型火箭来说，燃料只佔了整 体重量的一小部份（通常是10-15%）。对火箭来说，燃料则佔了整体重 量的大半部份（通常是 80-85%）。会有这样差异的原因之一，就是模型 火箭引擎工作的时间非常短暂，通常不会超过两秒鐘。真实火箭的引擎 可能要燃烧十分鐘以便进入地球轨道。 飞行的过程中模型火箭与真实火箭都需要一些系统来维持稳定与 控制火箭。稳定指的是：如果飞行时受到一些干扰，火箭能够回到先前 的飞行路径而不至於乱飞。控制指的是火箭飞行时的操纵能力。模型火 箭与真实火箭在大气中都是设计在“被动“稳定的状态。“被动“在这裡是 要表示，火箭不需要调整任何的控制舵面就会自行回到飞行路径上。当 火箭的重心位置在风压中心之前火箭便处於稳定的状况。模型火箭并没 有控制系统。当火箭离开发射架后就不受控制。你看到火箭飞但你没有 办法控制它。因為作用在安定片上的空气作用力，火箭会朝著风来的方 向飞行，称為“风向鸡效应“（又称為追风性）。真实的火箭使用复杂的 方来来进行飞行控制。早期的V2在飞行时火箭喷嘴有个小翼用来使推力 4 转向。大多数的火箭使用称為 engine gimbals 的系统来使整个喷嘴转 动。真实火箭用复杂的仪器，电脑，高速机构来进行机动控制。 相对真实火箭的飞行速度，模型火箭以一个低速度飞行（时速小於 250英里)，因此不需要担心空气动力的热效应。模型火箭的製造材料也 不昂贵，如巴沙木，卡纸或塑胶。真实火箭以非常快的速度飞行（时速 大於10,000英里），因此空气动力的热效应是个大问题。真实火箭上使 用的材料通常特殊或昂贵，如鈦或镍的合金。在一些真实火箭上，如太 空梭的外部燃料箱，金属表面上就涂上了特殊的绝缘材料来防止空气动 力的高热所造成的危害。所以外部燃料箱的顏色是橘色就是这个原因。 模型火箭的受力 5 模型火箭对学生来说是一个较安全与不昂贵的方法来学习力学原 理与火箭受到外力时的反应。最早由牛顿的三大运动定律描述了力的作 用。力是具有大小与方向的向量。当考虑作用力时，必须