几种特殊的模型火箭.doc

第八章 几 种 特 殊 的 模 型 火 箭第八章 几种特殊的模型火箭所谓特殊的模型火箭，是相对于一般单级高度模型或留空模型火箭(这里我们统称之为一般单级模型火箭)而言的，其中包括多级模型火箭、捆绑模型火箭、仿真模型火箭，以及载荷模火箭等。除此之外，还有火箭和(火箭)助推/滑翔机留空模型，以及自转旋翼留空模型和柔性翼留空模型。本章只介绍前4种模型。第一节 多级模型火箭一、多级火箭推进原理*在第二章中，我们已经知道，单级火箭所能达到的速度增量取决于其火箭发动机的有效排气速度和火箭的起飞质量与发动机熄火时的质量之比。为了提高火箭的速度，就要增加火箭发动机的数量，一种办法是将两个或两个以上的发动机串联起来，组成多级火箭。当第1级发动机熄火后，随即将其抛掉（分离），第2级发动机立即点火，接着工作，这样，就能有效地提高火箭的最终飞行速度。因为第1级发动机熄火后，火箭的速度增量等于第1级发动机的有效排气速度乘上火箭起飞质量与第1级发动机熄火时火箭质量之比的自然对数；当火箭将已熄火的第1级发动机抛掉后，第2级发动机开始工作时的火箭质量减小了，当第2级发动机熄火时，火箭的速度就等于火箭第1级发动机熄火时的速度增量加上第2级发动机熄火时的速度增量，而第2级发动机熄火时的火箭速度增量等于第2级发动机的有效排气速度乘上第2级发动机点火时火箭的质量与第2级发动机熄火时火箭质量之比的自然对数；第3级火箭熄火时的火箭速度等于第1级发动机熄火时的速度增量加上第2级发动机熄火时的速度增量，再加上第3级发动机熄火时的速度增量；以此类推。与运载火箭一样，采用两个（组）或两个（组）以上的模型火箭发动机串联组成的模型火箭叫做多级模型火箭。不论有多少发动机，只要它们同时点火、同时分离，它们就是同一级。多级模型火箭的飞行速度比单级模型火箭的速度要大得多，它的射程也比单级模型火箭高得多。二、多级模型火箭概念图8.1 3级模型火箭为了解释多级模型火箭的几个基本概念，我们以3级模型火箭为例来加以说明。如图8.1所示，最下面的一级发动机（一个或多个）及其外壳叫做第1级火箭，中间的发动机（一个或多个）及其外壳叫做第2级火箭，最上面的一级发动机（一个或多个）叫做第3级火箭；通常第1级又叫做下面级，第2、3级也叫做上面级。整个3级模型火箭就叫做子火箭1或1号子火箭；第2级以上（包括第2级）部分叫做子火箭2或2号子火箭；第3级以上（包括第3级）部分叫做子火箭3或3号子火箭。三、多级模型火箭技术制作多级模型火箭比单级模型火箭要复杂些。首先需要解决多个串联的模型火箭发动机的依次点火问题；其次是确定具体的方案和结构设计。下面我们以3级模型火箭为例进行说明。 (一) 多级模型火箭发动机点火问题多级模型火箭的第1级发动机的点火方式，与单级模型火箭一样。但是，第2级、第3级发动机的点火就不能采用单级的点火方式了，因为它们需要在空中点火。第2级发动机只能在第1级发动机工作完毕时，依靠其燃气来点燃。同样，第3级发动机需依靠第2级发动机工作完毕时的燃气来点燃。第1级和第2级发动机由于没有开伞的要求，同时却有点燃第2级和第3级发动机的功能，因此发动机的组成应有所变化。取消弹射剂和延时剂，使其满足后面的发动机点火要求；并能反向推动，使之与箭体分离。最后一级发动机要保证开伞，所以需要保留弹射剂和延时剂；同时，由于多级发动机工作的结果，使得模型火箭的末速度大为提高，火箭的惯性飞行时间延长，为了满足火箭飞行轨迹的要求，需要增加延时剂的用量。 (二)多级模型火箭的方案和结构设计多级模型火箭与多级运载火箭不同的是，前者都在大气层中飞行，而后者除第1级外，其余都在大气层外飞行。所以，多级模型火箭的各子火箭在飞行过程中都必须保持气动稳定。为此，每一子火箭都必须有稳定尾翼，也就是说，每一级火箭都必须有稳定尾翼，并且要求各子火箭的压心位于其质心之后，且二者的距离应不小于箭体直径，根据这些要求来确定各级稳定尾翼的面积。由于1号子火箭的质心最为靠后，所以第1级火箭的稳定尾翼面积应该最大，以满足模型火箭的气动稳定性，即保证模型火箭的压心位于质心之后。2、3号子火箭的质心依次相对靠前，所以第2级、第3级火箭的稳定尾翼面积可依次减小。另外，模型火箭的长径比应尽可能取得大一点。由于多级模型火箭在第1级和第2级发动机工作期间，总的稳定尾翼面积较大，在飞行过程中，其飞行轨迹受侧风的影响较大，所以设计时应适当增大修正系数，发射时应注意迎风倾角。再者，除保证每级的尾翼均布、对称外， 还必须注意各级的尾翼的相互位置，确保各对应尾翼在同一平面内，以防气流干扰。 再者，多级模型火箭在飞行过程中，为了减少重力损失，同时也是为了下一级发动机工作，所以除最后一级外，每当一级发动机熄火后就要及时地将其抛掉。因此，在箭体结构设计和制作时，必须考虑到级与级之间的分离。根据FAI 运动规则，4d部分，航天模型规定，模型火箭不得在飞行过程中抛出发动机，除非这些发动机包含在一个箭体内，但必须按要求（即有回收装置）降落。显然，如果每级回收都要有回收装置，制作比较困难。因此FAI 运动规则， 4d部分，航天模型又规定，多级模型火箭的下面级可以采取翻转回收(tumble recovery)，也就是说，允许没有回收装置，但需符合以下条件：1) 下面级有3个以上的尾翼;2) 长度不大于发动机长度的1.5倍;3) 场地安全指挥员认为下降是安全的。不过，为了安全起见，在人多的非比赛场合，最好不要玩多级模型火箭。第二节 捆绑式模型火箭前面讲的多级模型火箭，是将多个或多组模型火箭发动机串联起来组成的，以提高模型火箭的飞行速度。有时由于模型火箭的体形较大，或质量较大，采用一个模型火箭发动机难以起飞；或者为了使模型火箭起飞时得到较大的推力效应，往往采取多个发动机并联，使之同时点火工作，产生较大的推力。我们把这种由多个发动机并联安装组成的模型火箭叫做捆绑式模型火箭。图8.2所示为多枚单级模型火箭组成的捆绑式模型火箭，其中间的模型火箭有回收装置，因而采用一般的模型火箭发动机，即有推进剂、延时剂和弹射剂的发动机；而周围的火箭没有降落伞，所以采用无延时剂和弹射剂的发动机。图8.2捆绑模型火箭捆绑式模型火箭的技术关键， 首先是保证并联发动机能同步点火并同步熄火，尤其是周围的发动机；其次是周围发动机不能有个别的在工作过程中出现突然熄火的现象。如果出现周围并联的各发动机点火、熄火不同步，或某一发动机在工作过程中突然熄火，都会造成火箭偏离弹道。多个发动机的同步点火和同步熄火，与各发动机自身品质好坏有极大的关系。首先，要求各发动机的结构和组成应完全一样，同批生产，同一条件下贮存，以便具有同样的点火和工作特性，确保具有相同的工作时间；其次，要求各电点火头的发火特性应完全一样，也必须同批生产，同一条件下贮存，以保证同时通电、同时发火。注意：为确保同步点火，最好以电瓶点火。千万不可随意任取同一规格的发动机和电点火头进行组合，模型火箭发动机生产厂成套供应的并联发动机都是同一批次的。还要注意：莫把中间的发动机与周围的发动机搞混了。图8.3 捆绑式模型火箭的发动机组合捆绑式模型火箭的发动机数量，必须考虑模型火箭的对称性，一般取37个发动机进行组合，图8.3表示在大型模型火箭的箭体内，几种并联发动机组合形式。为了固定发动机， 应该一个发动机一个固定件(只要套管和卡钩， 无需固定环)，将所有固定件按图8.3并联，以胶带固定。注意卡钩位置，每一卡钩都应有退让空间，而且是相互对称的。将并联好的固定件安装到箭体尾段内，设法固定。由于捆绑式模型火箭的质心靠后，稳定尾翼面积应该相对大一些，最好采用后掠翼；箭体应该适当长一些，以保证模型火箭的飞行稳定性。 第三节 仿真模型火箭所谓仿真，就是模拟。仿真模型火箭，就是根据真实的火箭、导弹或宇宙飞船外形，按比例缩小复制成的模型火箭。一、选择仿真模型的原型制作仿真模型火箭，首先需要选择被模拟的火箭、导弹或宇宙飞船的原型。选择原型的原则是，外形简单，有较大的长径比和稳定尾翼，有很好的静态和气动稳定性，适宜在空气中飞行。一般的气象火箭、探空火箭和运载火箭都可选作仿真模型火箭的原型；某些有尾翼的弹道导弹也可选作仿真的原型；某些防空导弹原则上也可选作仿真原型。但是，由于这类防空导弹除有尾翼外，弹体中部还有较大的稳定翼，制作稍微复杂些，必须保证稳定翼和尾翼的轴对称及其相互位置。一般防空导弹的机动性好，压心靠前，稳定性不好，不宜选作仿真原型。空空导弹和海防导弹，由于不具备轴对称的外形，也不适合制作仿真模型火箭。至于仿无稳定尾翼的运载火箭和远程弹道导弹的模型火箭，可以加上透明塑料尾翼，以利稳定飞行。但是，这类参赛的仿真模型火箭在仿真程度上要被扣分。 我国的长征系列运载火箭中的有翼火箭，如CZ1D、CZ3、CZ3A、CZ3B和CZ4等都可选作仿真模型火箭。部分长征系列运载火箭的外形图，见图8.4。图8.4 部分长征系列火箭二、收集资料当选定被仿真的火箭原型后， 接下来就应该开始收集该火箭的有关资料， 包括照片、外形图、立体图、详细标注尺寸的结构图等；查阅有关介绍该火箭的文献、期刊、杂志、技术手册等，从中了解该火箭的性能和参数，尽可能多地掌握各种详细资料和数据。在掌握充分数据和资料的基础上，进行整理、分析，然后着手设计。三、确定仿真的比例在收集、整理、分析原型资料的基础上，根据选择的模型火箭发动机型号、制造材料和制作工艺，考虑模型火箭仿真的缩比尺寸。由于模型火箭发动机的直径是标准的，所以制成的仿真模型火箭必须能安装所选用的发动机。为减少计算中容易出现的错误，缩小比例数尽量选取整数，最好是5的倍数。有了原型的结构图和仿真比例，即可进行仿真模型火箭设计。为了考核所设计的仿真模型火箭的稳定性，应该进行质心和压心计算，必要时还应进行称量和放飞。如果质心和压心的位置不满足要求，需对结构作适当修改(外形不能改)。有关仿真模型火箭比赛的评分，见第九章第二节八小节。第四节 载荷模型火箭载荷模型火箭是一种特殊的模型火箭，它比一般高度模型火箭多了一个载荷舱，用于存放载荷。通常，载荷舱位于头锥和箭体筒段之间(图8.5)，以满足压心和质心间的相互位置要求。由于载荷模型火箭增加了载荷舱及其携带的载荷，导致起飞质量增大，飞行速度降低，从而会影响飞行性能，最主要的是，必须保证模型火箭的飞行稳定性。如果利用现有高度模型火箭改造，则需要重新考虑火箭的静态和动态稳定性，对箭体结构和外形作适当调整。图8.5 载荷模型火箭一、载荷比赛60年代初，美国国家火箭技术协会（NAR）首创模型火箭的载荷比赛，并得到国际航空联合会的认可。载荷比赛在FAI 运动规则，4d部分.航天模型中属于S2类。二、载荷种类在FAI运动规则中规定了标准FAI模型火箭载荷，它是一个由铅或含铅不少于60的铅合金制成的圆柱体，其质量不小于28克，圆柱体直径应为19.10.1毫米，不得在上面钻孔或冲孔，也不得附有其他材料。作为非正式场合比赛， 最简单的载荷是小生物，如昆虫、鹌鹑蛋等，由于其体积和质量都不大，一般模型火箭经适当改造，就可以制成载荷模型火箭。需要注意一点，载荷舱在飞行过程中不应与箭体脱离，必须保证载荷舱和载荷与箭体一起回收。否则，将取消比赛资格。三、载荷舱的制作制作模型火箭载荷舱，最好选用透明塑料，载荷舱的外径与箭体筒段相同或者稍大一点。载荷舱外径如果大于箭体筒段外径，则载荷舱与箭体筒段相连接的一端应做成锥台状，如图8.5所示。设计载荷舱，要考虑与头锥和箭体筒段的连接，以及