“欲上九天揽月,先玩模型火箭”

“欲上九天揽月，先玩模型火箭”关于提高火箭模型竞赛成绩的几点思考浙江省湖州市长兴县吕山中心小学 林 毅内容摘要：航天模型运动是培养优秀航天人才的战略措施之一。S2载重模型火箭、S3伞降模型火箭、S6带降模型火箭由于其开展简单，入门容易而深受广大模型爱好者的喜爱。可以从火箭模型高度、火箭模型降落伞、模型火箭稳定性三方面去改进提高模型火箭的竞赛成绩。关键词： 模型火箭 高度 降落伞 稳定性航天模型运动是伴随着航天事业的发展而兴起的一项科技体育运动，大力开展航天模型运动，是培养优秀航天人才的战略措施之一。世界各空间国家对这项运动十分重视，有些国家还把其内容列入中小学课程。国际航空联合会已于1959年把航天模型定为国际竞赛项目，并规定每两年举办一次世界航天模型锦标赛。国际航联制定的航天模型竞赛规则设有十个竞赛项目，分别是：S1高度模型火箭、S2载重模型火箭、S3伞降模型火箭、S4火箭推进模型滑翔机、S5仿真高度模型火箭、S6带降模型火箭、S7仿真模型火箭、S8无线电遥控火箭推进模型滑翔机、S9火箭推进自转旋翼机和S10火箭推进柔性翼模型飞机。比赛的科目有升高、滞空时间、外观仿真度和模拟发射仿真度等。其中， S2载重模型火箭、S3伞降模型火箭、S6带降模型火箭由于其开展简单，入门容易而深受广大模型爱好者的喜爱。这三类模型火箭都是属于比滞空时间的。因此，如何提高它们的留空时间成为很多模型爱好者特别是一些学校科技辅导者时刻关注的问题。笔者作为一名小学科技辅导者，在多年的航模教学中也积累了很多相关的经验。下面，就结合实际谈一谈如何提高伞降类模型火箭的竞赛成绩。一、关于火箭模型高度 除了S1高度模型火箭以火箭高度来决定比赛名次以外，其他类模型火箭的高度数据并不能决定最终结果。但是大家都知道，“打的高才能飞得久”。而且，高处更容易使打开后的降落伞吃到上升气流从而提高比赛成绩。因此，高度成为影响火箭模型竞赛成绩的重要因素。想要提高模型火箭的飞行高度，可以在以下几方面做文章。1、重量要想使模型火箭飞得高，模型火箭本身就必须够轻。当然，前提是在不改变模型外形尺寸的前提下寻找制作火箭模型的替代材料。很多参加世界和全国大赛的选手很早以前就开始尝试自己动手制作“够轻”的模型火箭，但这对于刚接触模型运动的中小学生来说比较困难。下面就以“S2四凯小力士”模型火箭为例说一说笔者在改装厂家成品模型火箭重量方面的经验：塑料由于具有可塑性强、价格便宜等优点，所以经常被用来制作模型火箭的各部分部件，如“小力士”的头锥、载重仓、尾端、尾翼。针对这一情况，我们可以采用削磨和替换更轻材料两种方法来减轻它的重量。头锥：原重15.5克，采用削磨和切除接合段多余部分（只留1CM接合） 留重8克，减去7.5克。载重仓：原重12.5克，截除接合段以外的部分，用学生常用的软塑料讲义夹封面卷成相同尺寸的圆筒替代。 留重4.5克，减去8克尾段：原重17.5克，截除接合段和末端0.2CM以外的部分，用相同尺寸的纸筒代替，中间部门为鲜花花泥做成的中空圆环。 留重4克，减去13.5克。尾翼：原重9克，采用相同材料的桐木、轻木片或者广告用吹塑纸代替。 留重4克（桐木片），减去5克。发动机固定铁钩：重1克，直接去除。箭体：15克原总重：70.5克 减去重量：35克 剩余重量：35.5克2、阻力如何减少空气阻力，也是影响模型火箭成绩的因素之一。因此，在制作和装配模型火箭的过程中必须十分注意准确性和保持表面的光滑平整。头锥的形状和尾翼的截面形状则很大程度上影响模型受到的空气阻力大小。具体分下面四个方面：（1）在用轻木或吹塑纸制作尾翼时，应将翼角倒圆，这样既可减少阻力，而且安全。矩形翼缘的阻力最大，圆弧形翼缘相对小很多。因此，可将尾翼前缘打磨成圆弧形，后缘成刀锋形，即尾翼横剖面呈流线型。 （2）翼根也有阻力，翼根与箭体结合处应该贴合良好，以保证气流平滑流动。而由于“小力士”采用的是4尾翼设计，箭体与尾翼之间的锐角增加了气流干扰，形成了高干扰阻力。在不能改变尾翼数量的前提下，利用市面上常见的热熔胶为填充物，既可以弥补普通101瞬间胶粘合强度不够的缺点，又可以在尾翼和箭体之间形成光滑的填充角，降低干扰阻力。（3）卵形头锥是所有形状头锥中阻力最小的。我们在改装加工模型火箭的头锥时应以此为自己的目标。但值得注意的是，在削磨头锥时应注意保持其四周均匀的形状。具体做法是将头锥连接在箭体上，然后在桌面上滚动，观察其是否围绕头锥中心旋转。然后进行细微调整。（4）模型火箭主要依靠空气动力学原理来维持稳定。 但在發射的時候，火箭速度太小以致於空氣動力無法提供足夠的穩定性，因此需要發射軌來維持穩定（在模型火箭上，通常是一條鋼絲或滑軌）。但在发射的时候，火箭速度太小以致于空气动力无法提供足够的稳定性，因此需要发射轨来维持稳定。由于出厂套材是用一根钢丝来做发射轨，所以在模型火箭箭体一侧必须装有导向管。既增加了摩擦力又增加了飞行时的气动阻力。因此，我们可以用导轨来发射火箭模型。具体做法是用4根900mm不锈钢管呈正方形安装在一块底板（可用钢板）上，中间距离为让火箭模型正好顺利通过为宜。離開發射台後，火箭開始進行動力飛行，此時的火箭推力仍然大於重力，而空氣作用力（升力與阻力）開始作用在火箭上。3、动力模型火箭采用模型火箭发动机为动力，它是模型火箭的心脏，是组成模型火箭的重要部件。典型的模型火箭发动机由纸质壳体、陶土喷管、推进剂、延时(发烟)剂、弹射(开伞)剂、堵盖和点火装置组成。“小力士”采用四凯模型火箭公司生产的B64型发动机。该发动机属于B类，总冲为2.515.00N秒；延时(开伞)时间为4 秒。模型火箭发动机属于火工品范畴，FAI 运动规则，4d部分，航天模型对其作了具体规定。使用时必须注意安全，严格按照说明书进行操作。模型火箭发动机在贮存和使用过程中应注意以下事项：(1) 购进的发动机和点火头应原封不动地存放在避光的阴凉干燥处，远离火源和电源。(2) 在临使用前开启发动机及电点火头的包封，对未使用的发动机和电点火头仍然放进包装内，电点火头应以软纸包裹好。(3) 严禁解剖发动机和将其投入火中。(4) 12岁以下儿童必需在成人指导下使用发动机。 出于安全因素考虑，我们鼓励中小学生和老师购买正规厂家生产的模型火箭发动机而不是自己动手制作。我们只要把模型火箭发动机放在太阳下晒一晒，并做好平时的防潮工作。（食品包装中的干燥剂是不错的选择）同样可以使它保持最佳的工作状态。但需要说明一下，市场销售的标准模型火箭发动机的延时时间，是根据一般模型火箭惯性飞行高度确定的，而且有15%的偏差。所以对于某一具体模型火箭，它不一定满足火箭在最高点时延时剂正好燃烧完毕。对于参赛用的模型火箭（全国或世界比赛），最好根据选用的模型火箭发动机型号来设计，以使其质量和阻力满足惯性飞行高度的需要，这样才可以取得最佳的成绩。4、模型火箭的追风性能当火箭起飞后，火箭会朝上风处飞行。 這種行為稱為“追風性“，是由作用在火箭上的空氣作用力造成的。这种行为称为“追风性”，是由作用在火箭上的空气作用力造成的。風從火箭的側面吹來時，會在火箭上產生一個側向的作用力，此作用力作用在風壓中心上。风从火箭的侧面吹来时，会在火箭上产生一个侧向的作用力，此作用力作用在风压中心上。 為了穩定的需求，火箭的風壓中心在重心之後。为了稳定的需求，火箭的风压中心在重心之后。 側向作用力便會影響火箭以重心為旋轉中心轉向直到鼻錐與地面成一個角度b為止。侧向作用力便会影响火箭以重心为旋转中心转向直到头锥与地面成一个角度为止。追风性让火箭的飞行路径偏离垂直方向，因此会缩减模型火箭可以达到的最大高度。针对这一情况，在发射模型火箭时要根据当时的地理地势、风速等因素综合考虑，采取更换发射点的位置和角度来争取竞赛成绩的最大化。二、关于火箭模型降落伞 “小力士”模型火箭采用降落伞作为回收装置。降落伞的制作水平直接影响到模型最终的留空成绩。下面，从几方面介绍一下笔者在制作模型火箭降落伞时的经验。1、降落伞材质与直径的选择降落伞采用一次性台布制作，这是众多科技辅导者从实践中总结出来的经验，而一次性台布轻薄的特点也符合降落伞的要求。降落伞的直径大小对飞行影响很大，通常伞的直径大，留空时间长，但开伞难度增加。同时伞直径大很容易在试飞或比赛中飞失，拾不回来。降落伞是否能每次都稳定地打开，是决定比赛成败的基本环节。而能否每次顺利回收是影响训练效率的重要环节。全国比赛规定“小力士”模型火箭降落伞最大直径不超过800mm。折叠后的长度和粗细对于“小力士”的箭体直径来说是比较小的，出伞和开伞应该没有问题。但对于另外一些不限制降落伞直径的模型火箭来说，要找到降落伞直径和出伞、开伞速度的平衡点是值得广大中小学科技辅导者探索的问题。2、伞绳数量和长度的确定曾经有人做过研究，伞绳的长度也会影响降落伞的下降速度。由于受大气环境等因素的影响，目前我们无法确定多少长短的伞绳才是最合适的，但我们能确定它的大致范围。以800mm直径降落伞为例，我们一般将伞绳长度确定为1m1.2m（直径的11.2倍）。至于伞绳数量也一直是令大家比较头疼的问题，少了伞形不匀称，影响滞空时间；多了增加空间，也增加了在开伞时缠绕在一起的可能性。经过实践，笔者将“小力士”的降落伞绳数量确定在12条（借鉴钟面，制作简便）。其他类型模型火箭的伞绳数量也一般在816条左右。而对于伞绳经常缠绕在一起的问题，除了在打结前要将伞绳理齐之外，还要注意在 将伞绳放入箭体内是要一圈一圈地自然卷入。另外，在一片直径1cm左右的卡纸片边缘打上12个小眼，做成整线器，也能有效防止伞绳缠绕在一起。3、降落伞的折叠和下降姿态的调整叠伞是一个十分重要的工作，也是试飞和比赛成功的基本保证。新做的降落伞在折叠前先把伞衣搓皱，再把伞衣在工作板上摊平，抹上滑石粉，再搓皱，使伞衣之间有一些缝隙，不易粘住，增加开伞的成功率。在叠伞时，应先将理齐的伞绳拎起来，然后将伞衣像理雨伞一样理齐，使各瓜伞衣理齐后形成一个斜三角形。在各瓜伞衣间涂抹完滑石粉后先把伞衣叠成合适长度后，卷成长条，用小张餐巾纸把伞衣插入箭体的端部包起来后放入箭筒。其中要注意的是，先用箭筒在鲜花花泥上扣出一个圆柱体作为推出降落伞的塞子，松紧应适度，长度为塞子在筒内不翻转即可。在降落伞被推出箭体并顺利打开后，便进入了模型火箭的回收阶段。要想延长这段时间，除了依靠良好的大气环境外，平衡的下降姿态也能起到良好的作用。怎样使模型火箭具有良好的下降姿态呢？有两点办法：（1）选用较细但比较牢固且弹力较好的弹性绳作为降落伞和箭体的连接绳。（女孩子穿手链的水晶线是不错的选择）长度为箭体长度的1.52倍，以连接绳在开伞时不被崩断为最短长度。(需多次试飞)弹性绳可以有效防止箭体下降时的摆动，增加留空时间。（2）首先在模型火箭尾段内装入一枚发射过的发动机，然后确定没装头锥情况下模型的重心位置，将连接绳固定在重心位置上。因为模型下降时如果箭体是以一种水平姿态下降的话，它受到的空气阻力也是最大的，这样也可以延长留空时间。三、关于模型火箭稳定性稳定性是指飞行中的模型火箭如果受到扰动而破坏其平衡状态后，具有的自动恢复到原来平衡状态的能力。质心与压心要想使制作的模型火箭飞得既高又稳，就先要了解与稳定性有密切关系的两个专业术语：质心与压心。质心：模型的质量中心压心：压力中心，是与空气压强有关的作用力在模型火箭上的作用点。假设模型火箭在飞行一开始就受到干扰，干扰力将绕火箭质心转动，当它转动时空气冲过来会使火箭达到某一角度。如果压心在质心的后面，空气压强将对尾翼施加最大的力，以抵消旋转力，使模型继续沿着直线飞行。因此，压心在质心之后是模型火箭的重要因素。那么。怎样确定它们的位置呢？质心比较简单，只要用一根细线把模型水平悬挂起来，达到左右平衡的位置即是质心所在。在模型火箭上，有个简单的机械方法来决定整个火箭或其部分零件的风压中心。 將火箭或是其部分零件的外形進行平面的描繪，畫在一張紙板上並將其裁下來。将火箭或是其部分零件的外形进行平面的描绘，画在一张纸板上并将其裁下来。 將裁下來的紙板用一條細繩繫住，並找出能夠讓其平衡的點。将裁下来的纸板用一条细绳系住，并找出能够让其平衡的点。這就像用繩子綁住鉛筆並讓鉛筆平那点就是它的风压中心。在找出模型火箭的质心和压心以后，就要尽量做到质心前移。因为不能改变模型的外观几何尺寸，压心位置相对稳定。（“小力士”的压心在箭筒中心附近位置）特别是大家在改装火箭模型时要注意保持它的稳定性。但一心只想减轻模型重量的老师也不需要担心。实践证明，在无风天气垂直发射的火箭模型，即使质心在压心后面一点，其飞行稳定性不会有什么问题。因为这时质心和压心处在垂直地面的同一直线上，即不稳平衡状态，当发动机工作结束时，也就无所谓稳定不稳定了。当然，除了质心和压心之外，笔者还要提醒广大中小学生：在制作模型火箭时要时刻注意每片尾翼的平面都要通过箭体轴心线，并且沿箭体均匀分布。以上，从模型火箭高度、降落伞和稳定性三方面提出了提高模型火箭竞赛成绩的一些意见和建议。都是笔者多年来参加模型火箭比赛和教学中的一些经验积累，其中一些更是在得到深刻教训后才得到的。希望能给我们广大的火箭模型爱好者和辅导者借鉴或启发，提高模型火箭的竞赛成绩和竞技水平，共同发展和壮大我国的航天事业！ 参考文献：1.中国大百科全书 航空航天，中国大百科全书出版社，1985年。2.张岛欧， 模型太空学基础，北京航空学院，1985年。3.王敬超主编。模型火箭，西安四凯模型火箭公司，1994年。4.王铮，航天基础知识，广州天河航天奇观培训教材，1997年。7