模型火箭原理和设计

1. 模型火箭原理和设计 中国福利会少年宫 葛介康

2. 一、航天模型基本知识 １.航模与航天模型的区别 ２.航天模型的分类 ３.模型火箭的飞行原理

3. １.航模与航天模型的区别 • 航空模型以飞机为主，在空气中进行一定速度的运动，使空气对飞机的表面上如机翼、机体产生一定的作用力，即空气动力。这些空气动力既对飞机产生足够的升力，克服地球的引力，使飞机在空气中来去自如的运动，同时又有阻碍飞机前进的阻力。

4. 航天飞行器主要是在极度真空宇宙空间里运动。那里没有空气。因此人类要实现航天，首先要寻找到不依赖空气，并能产生巨大推力来克服地球引力的运载工具，这种工具就是火箭。

5. 牛顿三个定律来解释火箭飞行原理。 • 牛顿第一定律告诉我们，一定质量的物体作惯性运动，只有在受到力的作用时，才能改变原来的运动状态。 • 根据牛顿第三定律，发动机的喷管喷出高温高速气体高速气流必然对壳体和喷管有一个方向相反的反作用力，这个反作用力就是发动机的推力。 • 根据牛顿定律F=Ma，（F为推力；M为质量；a为加速度）火箭不断加速，是由于推进剂不断燃烧被喷出，其质量被不断减少，质量减少当然加速度增大。

6. 2.模型的分类

7. 高度模型竞技类S1--------模型火箭比赛飞行高度高度模型竞技类S1--------模型火箭比赛飞行高度 • 载荷模型竞技类S2--------模型火箭携带规定载荷，比赛飞行高度。 • 伞降留空时间模型竞技类S3--------模型火箭降落伞回收，比赛留空时间。 • 火箭助推滑翔机模型竞技类S4--------滑翔机火箭助推，滑翔回收，计留空时间。 • 比例仿真高度模型竞技类S5-----------模型火箭仿真度和飞行高度。

8. 飘带留空时间模型竞技类S6-----------模型火箭飘带回收，计算留空时间。飘带留空时间模型竞技类S6-----------模型火箭飘带回收，计算留空时间。 • 仿真比例模型竞技类S7-----------------模型火箭外形仿真，以及飞行过程仿真。 • 遥控火箭助推模型竞技类S8-----------滑翔机火箭助推，遥控滑翔回收，计留空时间。 • 螺旋留空模型竞技类S9-----------------靠自动展开的旋转翼回收，计留空时间。 • 柔性翼留空模型模型S10---------------翼面用轻型、柔性材料制作的火箭助推滑翔机模型。

9. 3.模型火箭飞行原理 • 模型火箭发动机: • 由壳体、 • 喷管、 • 推进剂、 • 延时发烟剂、 • 开伞剂、 • 堵盖和点火装置组成。

10. 模型火箭发动机工作四个过程： • 1，点火头被接通的电流点燃了推进剂，此时刻模型火箭还处于静止状态。 • 2，推进剂燃烧产生高温高速气流从发动机喷口里喷出，产生推力，使模型火箭不断上升爬高加速飞行。 • 3，推进剂燃烧完毕，点燃了延时剂，此时间段使模型火箭仍保持原有状态惯性飞行，同时产生烟雾显示模型火箭飞行轨迹。 • 4，延时剂燃烧完毕引燃开伞剂，开伞剂燃烧喷出反向大量气体，推出箭体内的回收装置。

11. 空气对模型火箭飞行的影响 （1）相对性原理 （2）连续性原理 ρvs=常数。 Ρ--流体密度 S--截面面积 ， V--流体速度 截面1的面积是S1 ， 截面2的面积是S2 通过截面1时流体速度 是V1 ，通过截面2时 流体速度是V2 ， 于是有 ： V1 S1 =V2 S2

13. 压差阻力、摩擦阻力和诱导阻力三种阻力。 • 一种阻力是由于平板前后存在压力差而引起的，所以，我们把这阻力叫做压差阻力。 • 如果进行进一步研究，可以看到产生这个压力差的根本原因还是由于空气的粘性。

14. 压差阻力、摩擦阻力和诱导阻力三种阻力。 • 当空气流过物体表面的时候，物体表面的空气质点粘附在物体表面上，它们的运动速度为零而产生空气粘性。摩擦阻力的原因 • 如果空气流动是一层层有规律的．叫做层流边界层，如果空气流动是杂乱无章的，叫做紊流边界层。

15. 压差阻力、摩擦阻力和诱导阻力三种阻力。 • 诱导阻力主要发生在模型火箭的尾翼上，它是伴随着升力而产生的一种阻力。尾翼表面压力的气流绕过翼尖，向尾翼上表面的低压区流动形成一般涡流 • 把尾翼形状做成梯形、椭圆形，边缘尖形,翼展比做的较大，就可减小诱导阻力。

16. 模型火箭飞行三个阶段： • 1,动力飞行阶段； • 2,惯性滑动阶段； • 3,回收阶段

17. 模型火箭飞行轨迹，计算它的高度 • 在动力飞行阶段，作用在模型火箭有三种力：发动机推力；空气阻力和重力。既公式 ： • F=F1 +F 2 +F 3 F是总的动力；F1是发动机推力；F2是总的阻力；F3是重力。 • 其中 F1=MG M0为起飞时火箭的总的质量；M1是发动机停止工作时的模型火箭总质量，G为重力加速度。 • 根据牛顿定律 F=M0A • 模型火箭起飞的加速度为： A0=F/M0 • 发动机停止工作时的加速度为： A1=F/M1 • 它们的平均加速度为： A=（A0+A1）/2 • 动力飞行结束时最大的速度为： V=AT • 此时模型火箭飞行的高度为： H1=1/2 AT²其中T为发动机工作时间。 • 在模型火箭惯性滑动阶段，发动机的动力为零，只有重力和空气阻力。其飞行高度为： H2=M1V² l / 2（F2+F3） • 总高度 H=H1+H2

18. 二.模型火箭的设计 1，模型火箭的外形 模型火箭的外形基本上有四个部分组成：头锥、箭体、箭体尾部和尾翼

19. （1）头锥 头锥处于整个模型火箭的最前端，其形状对空气阻力有很大的影响。理想的头锥的形状，应该与整个箭体一起构成一个流线型，使依附在火箭表面的附面层的气流保持在层流状态，空气摩擦阻力为最小。

20. （2）箭体 箭体占模型火箭的最大的体积和表面积。 阻力的大小取决于模型火箭表面上薄薄一层空气附面层的情况。 阻力是随着其的长度与直径比值（L/D）大小而变化的。 比较理想的模型火箭的总体长径比为10：1（含头锥尾翼等在内）

21. （3）箭体尾部 减少箭体尾部的压差阻力，可以将把箭体尾部设计成类似圆体收缩的形状 . 普及性模型火箭的箭体尾部，为了制作方便，大多数尾部与箭体一样，直筒到底。

22. （4）尾翼 尾翼的形状对模型火 箭的阻力和稳定性有很 大影响。 a.尽可能减少尾翼数量 b.尾翼的垂直面都要通过箭体轴心线，即沿着箭体圆周均匀分布。 c.尽可能增大尾翼的展翼比

23. 2，模型火箭飞行稳定性 • 模型火箭稳定性设计，必须满足模型火箭的重心(cc)必须位于其压力中心(cP)前的—定位置的要求

24. 如何确定模型火箭重心位置？ • 测量重心的模型火箭应该处于起飞状态，即回收装置、阻燃物、发动机等都要安装到位，然后用一根绳子结在箭身上，悬挂空中，如两边平衡，绳子所悬挂的那点就是重心。重心是模型火箭的重力的一个平衡点。

25. 怎样测量模型火箭的压心？ • 近似判定压心位置的方法，用一张硬纸板做一个精确的模型火箭纵向解剖面图形，或是模型火箭的正向投影图形，把剪下来的精确模型火箭投影图样，放在直尺边缘上能够平衡，平衡的那一点，就是该模型火箭的基本压心位置

26. 3.回收装置 • 回收装置的首要要求，就是安全可靠，保证模型火箭回落时不影响地面人员的安全，同时保证模型火箭完整回收。