讓模型火箭沖天高飛

姜敏

近年來，航空模型運(yùn)動(dòng)開展得如火如荼。成功入選2017年全運(yùn)會(huì)的群眾體育競賽，更為這項(xiàng)運(yùn)動(dòng)的發(fā)展起到積極作用。在大型航模賽事中，航天模型因觀賞性強(qiáng)逐漸為人熟知，并在各類航空航天科普活動(dòng)中占有一席之地（圖1、圖2）。

與固定翼模型、多旋翼飛行器相比，模型火箭雖然無法做出特技飛行動(dòng)作，但是短短幾秒、十幾秒發(fā)射過程中的聲光效果，足以吸引觀眾的注意力。

采用固體燃料的模型火箭是航天模型中不可或缺的一員。為了備戰(zhàn)“科研類”全國航空航天模型錦標(biāo)賽，筆者曾做了大量有關(guān)模型火箭的探索研究，收獲了很多經(jīng)驗(yàn)。在此介紹一些模型火箭總體設(shè)計(jì)、制作和試驗(yàn)技巧，尤其是對其飛行速度影響較大的頭錐的設(shè)計(jì)方法。

模型火箭的組成

模型火箭大體由箭體、尾翼、發(fā)動(dòng)機(jī)、降落傘和頭錐幾部分組成（圖3、圖4）。

一、箭體

箭體是模型火箭的主要構(gòu)件，可用鋁合金、亞克力等材料加工，也可用硬紙筒進(jìn)行快速制作（圖5）。目前可以從市面上買到各種尺寸規(guī)格的成品紙筒，如內(nèi)徑10cm、厚3mm的紙筒，在很大程度上滿足了制作需求。若要自行制作，先做好芯模，再用紙或紙板卷成形，彎曲成所需內(nèi)徑、厚度的空心直筒。進(jìn)行這一步時(shí)，可用直尺輔助。

整個(gè)模型的長度和直徑比例以9：1左右為宜。具體尺寸與模型的有效載荷有關(guān)。計(jì)算時(shí)先確定箭體直徑，再得出箭體長度，進(jìn)而確定模型火箭總重，以及發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)量、大小和分布方式。這一過程需要反復(fù)迭代運(yùn)算。根據(jù)筆者經(jīng)驗(yàn)，總體設(shè)計(jì)是一個(gè)不斷協(xié)調(diào)飛行器各部分需求的過程，絕不能想當(dāng)然地用一次計(jì)算確定所有參數(shù)。

二、尾翼

尾翼的作用是穩(wěn)定模型火箭的飛行姿態(tài)和軌跡。模型火箭一般采用3-4片尾翼，其形成的相交面要通過火箭軸線，并均勻、對稱地分布在箭體尾段周圍。

畫出設(shè)計(jì)圖后，可用3D打印機(jī)或激光切割機(jī)加工模型火箭的尾翼，然后用砂紙對表面拋光，并將其前緣打磨成圓弧狀、后緣打磨成刀口狀。這幾步是為了讓尾翼橫截面呈流線形，減小其在飛行時(shí)受到的空氣阻力（圖6）。建議用2-3mm厚的椴木層板制作尾翼，比輕木的更結(jié)實(shí)耐摔。

最簡便的粘接尾翼的方法是將切割好的翼片直接對接在箭體表面，以環(huán)氧樹脂膠（又名AB膠）連接，盡量避免出現(xiàn)空隙。但多次試驗(yàn)證明，這樣只能保證粘接處基本的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。在模型火箭回收部分著地瞬間，因瞬時(shí)沖擊應(yīng)力過大，尾翼極易從翼根處斷裂。為此，筆者利用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)制作了1個(gè)既能與箭體完美契合，又能連接尾翼片的連接件。為了讓幾個(gè)翼片精確、對稱地安裝，還用輕木板做了1個(gè)輔助工具。安裝時(shí)先用環(huán)氧樹脂膠粘接3D打印的連接件，然后把箭體放入輔助工具內(nèi)，依次對準(zhǔn)安裝位置粘接翼片。在這個(gè)過程中，可不斷用丁字尺校準(zhǔn)尾翼片的安裝位置。

三、發(fā)動(dòng)機(jī)

出于安全考慮，模型火箭使用成品發(fā)動(dòng)機(jī)。陜西四凱火箭技術(shù)有限公司專門生產(chǎn)各種型號(hào)的模型火箭用發(fā)動(dòng)機(jī)，常用的種類見表1。

在總體設(shè)計(jì)階段，根據(jù)模型火箭總重估算所需推力，就能選出總沖、工作時(shí)間合適的發(fā)動(dòng)機(jī)及其數(shù)量。它們可并聯(lián)在電路中，以保證同時(shí)點(diǎn)火發(fā)射。

多個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)宜適當(dāng)分散在箭體中（圖7），安裝孔徑比發(fā)動(dòng)機(jī)直徑略大（約0.8mm），以保證緊密配合。為使其推力合力精準(zhǔn)地沿箭體中軸線而不傾斜，可在發(fā)動(dòng)機(jī)組的中間和頂端加裝兩層發(fā)動(dòng)機(jī)固定板，并用水平儀測量安裝是否傾斜。

四、降落傘

降落傘是重要的回收裝置（圖8），用以減小模型火箭觸地時(shí)的撞擊力，延長使用壽命。降落傘由傘布、傘繩和彈性繩組成。對飛行高度和留空時(shí)間要求不高的模型火箭多用塑料薄膜（如一次性餐桌布）做傘布。至于專業(yè)級模型火箭，最好用薄絲綢或尼龍綢做傘布。

傘繩用粗線繩制作，與傘布間以針線縫合牢靠。如果傘布材料為塑料薄膜，那么用雙面膠粘接傘繩不失為一個(gè)可靠簡便的辦法。但粘貼時(shí)必須注意，先讓傘繩按“之”字形在雙面膠上來回粘貼，盡量增大接觸面積、增加粘貼強(qiáng)度。

如果降落傘的拉力過大，可在傘頂開1個(gè)大小合適的洞，使其能提供需要的升力，提高回收模型的準(zhǔn)確性。

降落傘上自帶有開傘功能的裝置，有時(shí)還配套延時(shí)器，以增強(qiáng)開傘效果（圖9）。

五、頭錐

頭錐通常采用塑料材質(zhì)，以注塑或吹塑方法成形，要求尺寸精確、表面光潔。如果用牛皮紙制作，頭錐型面難以做成卵形，通常只能是圓錐形（圖10），但能夠滿足基本強(qiáng)度需求，而且制作方法簡單。筆者在比賽期間，曾遭遇備份材料不夠而又必須做試驗(yàn)機(jī)的情況，當(dāng)時(shí)牛皮紙卷的頭錐就解決了燃眉之急。

模型火箭頭錐的設(shè)計(jì)

頭錐位于模型火箭頂部，是一個(gè)具有良好流體特性的尖狀椎體（圖11）。在飛行過程中，不同形狀的頭錐具有不一樣的氣動(dòng)特性，它產(chǎn)生的阻力會(huì)直接影響模型火箭的飛行性能。就其功能而言，模型頭錐相當(dāng)于運(yùn)載火箭上的整流罩（圖12），既能保證有效載荷不被外界因素破壞，又能使模型火箭的頭部具有良好的氣動(dòng)外形，減小飛行阻力。

模型火箭頭錐的設(shè)計(jì)需遵循以下幾點(diǎn)設(shè)計(jì)原則：

在設(shè)計(jì)和制作模型火箭時(shí)，選擇合適的頭錐形狀非常重要。因?yàn)槟Ｐ突鸺际堑涂盏退亠w行，所以其頭錐的阻力主要有壓差阻力和摩擦阻力。經(jīng)過研究，筆者發(fā)現(xiàn)平頭形狀的頭錐是同尺寸所有形狀中阻力最大的。圖13以平頭形狀的頭錐阻力為參考，描述了不同形狀頭錐阻力的相對大小，圖14則模擬了平頭和卵形頭錐上的壓力分布。

在此推薦一種低阻高效的頭錐外形——長度與直徑比例為3：1的圓頭卵形頭錐。圖15給出了兩種卵形模型火箭頭錐的畫法，分別是長徑比為3：1和2：1的頭錐。圖中只給出了卵形頭錐的一半外部形狀曲線，完整圖紙還包括與之對稱的另一半（圖16）。

由于模型火箭需要具備開傘等功能，因此頭錐下部應(yīng)有一段圓柱體，其外徑略小于箭體內(nèi)徑，以方便插入箭體。

最后簡單介紹幾種模型火箭頭錐的制作方法。

1.3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)非常適用于加工模型零部件（圖17）。只要畫好設(shè)計(jì)圖、導(dǎo)入3D打印機(jī)，就可選擇需要的原材料，得到精確尺寸的模型頭錐。這樣制作部件的一體化程度高，缺點(diǎn)是頭錐尺寸受打印機(jī)限制。小型3D打印機(jī)的最大成型尺寸是180mm，大型3D打印機(jī)在410mm以上。

2.工業(yè)流水線作業(yè)制作

這類模型火箭頭錐一般為塑料材質(zhì)，以注塑或吹塑成型法制造，其尺寸精確、表面光潔。缺點(diǎn)是無法完全滿足自制模型火箭的要求。

3.用輕木塊車制或削制

該方法常用于自制模型火箭頭錐。車制或削制后應(yīng)用砂紙把頭錐打磨光滑，進(jìn)一步減小其氣動(dòng)阻力，且便于噴涂顏料。

4.用牛皮紙、紙板卷制或材料剪裁

前面說過，用牛皮紙卷制的模型火箭頭錐，雖然難以做成卵形，通常只能是圓錐形，但制作方法簡單、材料易得。在水火箭比賽中，運(yùn)動(dòng)員還會(huì)把飲料瓶等物件的部分剪下，裁切后當(dāng)作模型火箭頭錐。

整體裝配模型火箭時(shí)，首先要調(diào)節(jié)的就是其重心位置。讓模型火箭的重心稍微偏下，能使它在發(fā)射時(shí)保持箭體豎直不偏斜，有利于精準(zhǔn)發(fā)射和回收（圖18）。