载梦飞天

刘枳麟

在学校的大力支持下，我带领科学技术社团的成员在2018年6月完成了一项艰巨的挑战——九引擎大型模型火箭的设计与制作，并在我校第59届田径运动会开幕式进行了发射表演。

区别于其他模型火箭，我们使用九枚模型火箭发动机作为动力，并且增加了标语条幅，在开伞后打开展示（图1）。

一、设计方案

本模型火箭的结构主要分为整流罩、箭体、助推器、底座四部分，并配有特殊发射系统。模型火箭升空后，利用发动机开伞剂燃烧产生的大量气体推出条幅及降落伞。

1.整流罩

外形分为圆锥、圆柱、圆台三部分。圆锥使用扇形铜版纸粘合，圆柱使用矩形铜版纸粘合，圆台使用扇弧铜版纸粘合。整流罩圆柱下端设有倒置泡沫塑料圆锥，以保证整流罩可安放在箭体上，并在分离时不受额外阻力。

2.箭体

实际长度为1 250mm，直径100mm，顶部50mm被整流罩遮挡。箭体内衬使用酚醛塑料（电木）薄片围成，外衬使用铜版纸粘合。箭体下部有一个阻燃活塞，上部有条幅和降落伞，降落伞在条幅之上（均被特殊折叠并涂有滑石粉）。条幅与降落伞间有一个降落伞推动活塞，使用尼龙线连接并连接于箭体。整流罩与箭体之间也用尼龙线连接，防止解体。箭体两侧上固定有小段吸管以安装定向滑轨。

3.助推器

外形分为圆锥、圆柱两部分。圆锥部分用扇形围成，内衬使用电木薄片，与箭体间使用海绵双面胶粘接。

4.底座

使用3D打印技术成型，以保证九枚发动机竖直向上固定。为将四个助推器内的开伞气体（由发动机向内释放）导入箭体以增强开伞力度，在助推器与箭体连接处设计了导气孔。底座与箭体用螺栓固定，并用胶带与助推器间固定。

在结构设计完毕后，为了使模型美观，我们按照模型火箭的尺寸设计了贴纸。

5.发射系统

分为发射架、点火电路和控制电路三部分。发射架用刷过漆的钢筋焊接而成，其上附有发射导轨和垫板。垫板底部与发射架间用钕铁硼合金强力磁石固定，发射导轨固定在垫板上。

发射模型火箭时，如果无法保证九枚发动机同时点燃，就会出现严重跑偏事故。为此，在点火电路与控制电路中设计有大电流继电器及大功率二极管以完成点火和通路检测。

点火电路使用六节18650动力锂电池作为电源，点火时最大电流输出可达30A，电压8.4V。控制电路置于控制台内，控制台面板设有安全锁、总开关、电压表、通路显示、发射保险、点火按钮。点火电路与控制台间用VGA接头以及10m信号线连接。

二、发射观测

为测得模型火箭的实际飞行高度，在发射前，我分别在国旗台前和教学楼五楼设置了A、B观测点（图3）。

如图4所示，BC为无人航拍机测得观测点B与发射点O的相对高度，观测点A与O点位于同一水平面，R为火箭上升的最高点，α为观测点A测得观测点B仰角（亦为观测点B测得观测点A俯角），θA与θB分别为观测点A、B测得火箭上升最高点仰角。

由图4可得，

AR= =

综上，OR=sinθA

在观测中，测得θA为81°，θB为37°，α为4°，代入表达式得上升高度约为120m。

在模型火箭达到最高点后，开伞剂燃烧，推出条幅及降落伞，壮观的发射场面获得了全校师生的掌声。

三、分析总结

在理论计算中，并未计算空气阻力及发射倾角的影响，而在发射现场遇到的上升气流在一定程度上能减少空气阻力的影响。由于自制测角仪精度有限（只能精确至1°），测量高度具有±3m的誤差范围，故可认为理论值与观测值基本符合。（指导老师：杨启厚 张志锋）