中学物理知识在捆绑式多级水火箭研制中的应用

叶嘉程　宣金波　叶家辉

研究背景

水火箭是一项在中小学生科技比赛中较为普及的活动，但比赛中大多数同学制作的水火箭均为单级水火箭，只有极少数学生采用二级水火箭参赛。在国内，二级水火箭分离技术主要有气囊技术和分离管技术。气囊技术是把气囊放在上级与下级之间，靠压力差分离，这一技术虽然实现了全口径喷射，但是由于上下级要分开充气，不稳定，而且不能承受较高气压，容易在充气时产生危险，也会影响射程。分离管技术则必须考虑气密性问题，分离管的口径只能做得较小，因而水火箭主体无法从下级借力，造成分离时瞬间的喷射力较小而无法达到较高的高度。目前，国内没有较成熟的且能起导向作用的捆绑式水火箭。针对这一现象，为了提高水火箭的射程，我们课题小组决定利用中学物理知识研制捆绑式水火箭。

研究结果

捆绑部分的助推与分离

为了使水火箭获得更高的飞行高度，课题组设计了捆绑式多级水火箭（见图1）。捆绑式多级水火箭分为捆绑助推部分和主体，捆绑部分起到助推作用。

捆绑式多级水火箭的结构

捆绑式多级水火箭的捆绑部分由1个分离套筒、2組塑料扎带和4个捆绑箭体组成。

分离套筒是2.5L汽水瓶截去瓶口、瓶底留下的瓶身，用来放置水火箭主体，并在主体与捆绑部分分离时，作为主体继续上升的导向装置。

捆绑箭体由4个二通单级水火箭组成。分离套筒与4个捆绑箭体用AB胶粘牢，并用捆绑扎带将捆绑箭体紧紧连为一体。

捆绑部分分离的工作原理

发射时，4个捆绑箭体的喷口和主体的1个喷口同时喷水，由于5个喷口的直径相同，主体的装水量比单个捆绑箭体的装水量要多得多。此时，根据动量守恒和牛顿第二定律，捆绑箭体的加速度比主体大，通过分离套筒给主体施加一个向上的力，捆绑箭体就起到助推的作用。当捆绑箭体内的水喷完后失去向上的动力，主体因装水量大仍在喷水而继续上升，此时主体就会与捆绑箭体发生分离。

主体的二次分离

目前，国内二级水火箭的分离大多采用气囊技术或分离管技术。这两种分离技术都是从水火箭的内部解决分离问题，课题组跳出固有的模式，试着从水火箭的外部进行上下级之间的连接与分离，最终利用摩擦力知识，设计了水火箭二次分离的分离套筒技术。

水火箭主体的结构

水火箭的主体结构由推进分离级（图2）、空中释放级、火箭头、降落伞等组成。

推进分离级主要由分离胶塞、单向气芯、瓶体等组成，结构如图2所示。推进分离级的顶部装有气门的分离胶塞，分离胶塞能塞住空中释放级的喷水口，使其气体与水不外漏，起到密封作用；分离胶塞的另一端装有如自行车气门芯那样的单向气芯，给推进分离级充气时，可通过单向气门给空中释放级充气，但两级箭体内的气压相差约1个大气压，另外推进分离级喷水释放压力时，单向气芯能保持空中释放级的气压不降低。

空中释放级尾部用AB胶粘接分离套筒，顶部有带降落伞的储存舱，储存舱上方放置火箭头。

主体的两级箭体连接：将推进分离级的顶部瓶体推入分离套筒（由于此时推进分离级尚未充气，瓶体与分离套筒的摩擦力较小，很容易装入），然后将推进分离级顶部的分离胶塞挤入空中释放级的喷水口。

主体二次分离的工作原理

主体与捆绑部分分离后继续喷水而上升，推进分离级喷水的同时，箭体内的气压降低，其与分离套筒2之间的压力降低，它们之间的摩擦力也随之降低。因为空中释放级通过单向气芯与推进分离级连接，所以推进分离级的气压降低，不影响空中释放级内部的气压，两级的气压差作用在分离胶塞上，当两级气压差的作用力大于推进分离级与分离套筒之间的摩擦力时，空中释放级就会推开分离胶塞，与推进分离级分离。

制作中的技术问题

箭身延长

为了使水火箭发射时产生的推力更持久，就需要增加箭体的储水储气的容量。这个目的可以通过箭身延长达到。

把气门芯的打气部分去掉，获得中空螺管。把大个汽水瓶瓶盖和底部打孔（底部打孔不会破坏汽水瓶抗压结构），把气门芯大的圆头通过底孔放在瓶盖的背侧，中间用自行车内胎剪成环装的垫片垫好，涂上气密胶，并用螺母旋紧。最后，将另一个汽水瓶的瓶口与瓶盖旋紧。由于中空螺管的连接，两个汽水瓶是相通的，这样就增加了箭体的容量。

主体套筒分离部分

推进分离级制作时，首先将胶塞套在气门的大头上，顶部安装单向阀。推进分离级的顶部选用1.25 L汽水瓶，在汽水瓶的底部打个通孔，将安装好胶塞的螺管穿过通孔，装上气门芯，拧紧螺母。

制作空中释放级时，将1.25L汽水瓶身，去头去尾将尾部切口和空中释放级的尾部分别涂上AB胶，对正粘上，并在对接处绑上两圈防水胶带。等待胶固化后即可使用。

捆绑部分

首先制作分离套筒。将2.5L汽水瓶去头去尾，但保留头部圆弧部分；然后制作捆绑箭体。利用箭身延长技术，将2个1.25L汽水瓶连成单个捆绑箭体，为了减少空气阻力，中间用汽水瓶身相连。最后成形，用AB胶将分离套筒与4个捆绑箭体粘牢，再用塑料扎带将4个捆绑箭体捆为一体。

发射架

为了配合水火箭发射，课题组先后设计制作了3个发射架，即简易型发射架、稳定型发射架和捆绑式发射架。其中简易型发射架和稳定型发射架是用来发射单个箭体的，而捆绑式发射架是针对捆绑式水火箭专门设计制作的发射架。

捆绑式水火箭发射实验

发射实验共进行了5次。每次发射前充气，均以6个气压实验。在最为成功的第5次实验中，二级分离后人眼和摄像头已经无法看见水火箭，等其下落后才能隐约看见。实验时，可观察到高空气流较乱，水火箭被风吹向东南方向。水火箭是垂直发射的，而且发射时在助推阶段是一直可以笔直上升的，但因为风的原因，水火箭降落后居然横跨了半个校园，水平位移足有200m，可见其高度之高。估算其飞行总高度为180～200m。

该项目获得第30届全国青少年科技创新大赛中学组物理学一等奖。

专家评语

该项目设计制作的捆绑式多级水火箭，通过增加捆绑级助推，解决了捆绑级的助推与分离，使水火箭推进级分离后获得较大的初速度。同时通过套筒分离技术，突破了从箭体内部控制分离的方法，解决了推进级与主体的分离。建议进一步改进装置，增加可靠性和演示的观赏性。endprint