下期-模型火箭制作教案

1模型火箭制作第一节概述模型火箭的设计和制作是研制模型火箭的两大支柱。模型火箭制作分单件制作和批量制作，前者多为个人行为的手工制作，后者则由厂家采取模具和机械加工；前者用料多为纸板、木料和塑料板；后者主要使用纸张和塑料制品。一枚制作精良的模型火箭，不仅是一件得心应手的体育用品或科普器材，而且也应是一件可供欣赏的精美工艺品。这就要求制作者除具备有关模型火箭的设计和制作工艺知识外，还应具有艺术鉴赏、艺术创作和实际操作能力。上一章，我们在讲解模型火箭飞行原理的基础上，介绍了模型火箭的零部件设计方法；本章将着重介绍手工制作单件模型火箭的材料、工具和具体零部件的加工方法。第二节材料和工具一、模型火箭的常用材料根据《FAI运动规则，4d部分，航天模型》规定，用作模型火箭的材料必须是非金属，除发动机的卡钩外，不得使用任何金属材料及其制品。(一)纸和纸板纸是一种由植物纤维、矿物纤维、动物纤维、化学纤维或它们的混合物组成的均匀柔软薄片；具有较高挺度的某些纸则叫做纸板。用来零星制做模型火箭的主要是折叠盒纸板，它具有良好的耐划性和折叠性能；此外还有折叠盒白纸板和涂布折叠盒纸板，这两种纸板都有良好的印刷性能，并可以刷涂料。纸板可以制做头锥、箭体筒段和尾翼，尤适宜于制做箭体筒段(纸管)。纸适宜于用卷管机进行批量生产，常用的纸有铜版纸和牛皮纸。(二)轻木轻木是一种具备轻质量和高强度的木材，尽管其密度不是最低，但其强度却相当高，即具有较高的比强度(物质的强度与其密度之比，单位：焦耳/千克)。轻木有良好的加工性能。因此，长期以来，轻木一直是制做模具(木模)的基本材料。同样，轻木也是制作模型火箭尾翼和头锥的好材料。国内用作模型火箭的轻木主要有泡桐、杉和红白松等。商家通常将木料裁成不同厚度的板材供应。(三)塑料塑料是具有可塑性高分子的化合物。工程上常用的塑料有热塑性和热固性两类，热塑性2塑料具有遇热熔融、冷后变硬的特点，并且这一过程可以反复多次，因此很适合用来制做模型火箭。ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)、聚氯乙烯、聚苯乙烯等都是热塑性塑料，商家有板材供应。其中，ABS塑料具有良好的综合性能、容易加工、尺寸稳定，是制作模型火箭的常用材料。而ABS板则是手工制作箭体筒段和尾翼的好材料。(四)复合材料最常用的复合材料是玻璃钢，它是以玻璃纤维或玻璃布浸渍环氧树脂缠绕或敷设而成的制品。大尺寸的模型火箭常采用玻璃纤维或玻璃布浸渍环氧树脂缠绕而成。另一种复合材料是碳纤维(布)/树脂，即以碳纤维或碳布浸渍树脂缠绕或敷设成的制品。二、制作模型火箭的常用工具工业上制做模型火箭有专用机器和工具。对于手工制做模型火箭的爱好者来说，可以参照航空模型选用加工工具。常用工具有：工作台板、模型刀、模型刀、折断式壁纸刀、手锯、钢丝锯、什锦锉、微型台钻或手钻、直尺、圆规、砂纸、胶纸带、502胶、毛刷等。上述工具可以根据需要选用。第三节模型火箭结构和制作图4.1所示为典型的模型火箭结构，它的特点是结构简单，而且飞行速度较快(相对于航空模型)。因此制作模型火箭必须认真细致，火箭总体必须做到轴对称，表面光滑。为此，模型火箭的各零部件必须精细加工，例如4片尾翼应做到形状、大小、厚薄一样，而且必须3相对火箭轴线对称均布。否则，火箭飞行轨迹会发生偏离。另外火箭的质心位置应尽可能地靠前，以便使压心在质心的后面，保证火箭稳定飞行。所以，对于头锥，可以选用密度大一点的材料；对于尾段和尾翼，则应选用密度小一些的材料，且厚度要尽可能地薄。图4.1典型的模型火箭结构一、箭体筒段箭体筒段(筒体)是模型火箭的主要零件，它支撑、装载着模型火箭的其它零部件，其外径即模型火箭的直径。通常使用铜版纸或纸板制做箭体筒段。工业生产箭体筒段以纸为原料，用卷管机卷压成型，或螺旋卷绕，或平行卷绕；手工生产则多通过芯模将纸或纸板卷制成型(图4.2)。此外，也可用轻木片卷压成型、用玻璃布或玻璃纤维缠绕/浸渍环氧树脂成型。但目前市场上大量销售的箭体筒段多采用薄壁塑料管材，直径较大的箭体筒段则采用玻璃纤维/环氧树脂管。图4.2纸管成型工艺正式比赛用模型的箭体筒段常采用玻璃钢或碳纤维/树脂制品。四凯模型火箭公司生产的箭体筒段外径有以下几个规格：φ19、φ22、φ35、φ90毫米等。二、头锥工业生产头锥，通常采用塑料，以注塑或吹塑成型法制造，其尺寸精确，表面光洁。手工制作头锥可采用轻木块车旋或削制而成，或以纸板制作。用纸板制作，型面难以做到卵形，通常只能做成圆锥形。头锥应有一段圆柱，圆柱外径略小于箭体内径，以便将头锥的圆柱插入箭体筒段的前端(参见图4.1)。木制头锥应以砂纸打磨光滑，以利减小气动阻力和便于喷涂涂料。三、尾段尾段是用来安装发动机和尾翼的。但手工制做模型火箭时，最好将尾段与箭体筒段做成一体。尾段一般采用塑料，以注塑方法制造，但应设法使壁厚尽量减薄，以免尾段质量过大，使模型火箭质心后移。工业生产的尾段可以做成船形，即其底部直径小于箭体筒段直径，这样有利于减小底部阻力。四、尾翼4尾翼是用来稳定模型火箭飞行的，一般采用3或4片尾翼，且其中性平面应通过火箭轴线，并对称、均匀分布于尾段周围。工业生产尾翼一般采用塑料压制或注塑成型。手工制作尾翼可以采用轻木片、纸板或ABS塑料片，划线后用模型刀或壁纸刀切割，注意：各尾翼大小、厚薄应一致。由于希望模型火箭的质心在压心之前，因此要求尾翼尽可能轻。而纸板的密度较低，但刚性小；轻木密度也低，刚性比纸板好，而且可以削制得很薄，气动阻力小，因此以轻木制做尾翼最佳。木制尾翼应注意木纹方向与尾翼前缘平行，以便增加尾翼强度，延长使用寿命(图4.3)。除纸尾翼和光滑塑料外，尾翼表面应以砂纸磨光，并使其前缘打磨成圆弧形，后缘打磨成刀口状(即机翼横剖面呈流线形)，以利减小气动阻力，参见图4.4。图4.3尾翼木纹方向图4.4尾翼剖面五、发动机固定架图4.5发动机固定架发动机固定架的作用，是使安装在箭体筒段内的模型火箭发动机得以固定，确保模型火箭在发射、飞行和回收过程中，发动机不会脱离箭体。由于常用模型火箭发动机的外形基本相同，而模型火箭直径各不相同，为便于更换发动机，所以需要采用发动机固定架。固定架通常由套管、固定环和卡钩组成(图4.5)。套管和固定环一般采用纸板制作，套管长度通常为发动机长度的70％左右，视发动机后端伸出套管的长度而定。一般地，发动机安装后应露出10~20毫米，以便更换。固定环的宽度应尽量小，以减轻其质量。采用尾段的模型火箭，尾段本身就含有套管和固定环。如果没有尾段，而箭体筒段内径大于18毫米，将套管(视情况带或不带固定环)以502胶固定在筒段后端，注意筒段端面与套管端面平齐。如果筒段内径为18毫米，等于发动机名义外径，则可在筒段后段两尾翼间的侧面安上卡钩，发动机即可直接置于筒段内。卡钩一般做成两端折成90°的小钩，钩长约4毫米，卡钩的两钩之间的长度等于发动机的长度加1~2毫米，参见图4.5。六、导向管导向管又叫做发射管，通常采用纸管制做，其尺寸见第三章第三节五小节。粘接导向管时，一定要注意导向管与箭体平行；如果采用两个导向管，则一定要保证两个导向管位于同一直线上，粘接时可以用一根平直的导向杆定位。这一点非常重要，否则，可能发生一个导向管套上了，另一个套不上；或者，虽然都套上了，但火箭在导向杆上运动时会因二导向管稍许错位而发生颤振，火箭出杆后会发生翻滚现象。发射架的导向杆的平直度也至关重要，它也会影响火箭起飞和飞行的稳定性。对于如图3.26所示的带有大直径载荷舱的模型火箭，其导向管不能直接粘接在箭体筒5段上，在筒段与导向管之间应增加一个矩形支座，以便导向管内侧面与载荷舱外柱面相切，确保火箭在导向杆上自由运动。如果采取导轨式发射架，则不需要导向管。七、回收装置常用的回收装置是降落伞，是用来使模型火箭缓慢降落的装置，以减轻火箭接触地面时的撞击力，延长火箭的使用寿命。降落伞由伞布、伞绳和弹性绳组成。一般的高度和留空模型采用塑料薄膜（如一次性餐桌布）制做伞布，按设计要求剪裁；然后以压敏胶纸粘接伞绳；最后按设计要求将伞绳与弹性绳连接在一起。对于大型模型火箭，最好用薄丝绸或尼龙绸做伞布，伞绳与伞布以针线缝合牢靠。剪裁降落伞伞布的方法如下：取正方形伞料，以其对角线的交点为尖点，对折、再对折、┅┅，叠成8角、16角形；或者对折后，再3折，而后对折、再对折、┅，叠成6角、12角、24角形；以最短折叠边为半径，以尖点为圆心，用剪刀剪去边角，展开后就得到所需要的降落伞布。伞绳采用不易打结的涤纶线绳，或以压敏胶纸粘贴，或以线缝（绸或尼龙伞），比赛用降落伞的伞绳最少为3根，多不限。第四节模型火箭组装和装饰一、模型火箭组装（一）安装尾翼如果有尾段，先将尾段粘502胶插入筒体后端；然后将尾翼插进尾段的翼槽中，注意：尾翼后缘(或最后点)应在垂直火箭轴线的同一平面内。最简单的校验办法是：将火箭直立在工作台板上，用三角板的直角边检查，看它是否与台面垂直。经过校正后，以502胶固定之。如果没有尾段，则尾翼直接粘接于箭体筒段上。为保证尾翼中性平面通过火箭轴线并均布于箭体周围，可采取以下方法粘接尾翼：首先等分箭体筒段后段，已知筒段外径为2R，若3等分筒段，则以R量取；若4等分筒段，则以R量取。或以下法等分筒段：以一纸带卷于箭体筒段后段一周，在纸带未重叠的一段(其长度等于筒段周长)内，按尾翼数均分之(3等分或4等分)；然后再卷到箭体筒段后段上，在筒段上标上等分标记。参见图4.6，在箭体筒段上划出粘接尾翼的(与筒段轴平行的)直线。在工作台板上以圆规画若干同心圆，最小圆直径等于箭体筒段外径，按尾翼数，将圆分成3等分或4等分，通过圆心画等分线，并适当延长。将箭体筒段立于工作台板上，使筒段与最小圆周重合，并且使筒段上的等分线与工作台6板上的等分线相对应，将尾翼根部和后缘分别对准筒段和工作台板上的直线，以502胶在翼根处粘接尾翼(图4.7)。如果尾翼为大后掠角，尾翼后缘超出筒段后端面，则应于筒段内套一圆柱体，使筒段后端面抬高到尾翼后缘超出的距离，然后如前法粘接尾翼。为了加强尾翼的粘接强度，可于尾翼根部与筒段结合处涂一点快干胶，待干后，将其修整平滑。为了减少筒段与尾翼间的气动干扰，在翼根与筒段接合处，充以填料，并打磨成光滑的圆弧状；或以截面呈圆弧形的长条(长度等于翼根弦长)粘贴于翼根与筒段接合处，参见图3.29。图4.6在箭体筒段上划线图4.7在工作台板上安装尾翼（二）安装回收装置和头锥将降落伞上的弹性绳较短的一头系在头锥上；另一头贴在2.5×40毫米的医用胶布上，并用订书钉将弹性绳与胶布订在一起；然后将胶布贴到箭体筒段内壁面，胶布最外端距筒段端面约40毫米。将降落伞按要求折叠(详见第六章第二节)后，置于箭体筒段内。将头锥的圆柱段插入箭体筒段。二、外表处理和装饰虽然各零部件在制做时都进行了必要的打磨和清理，但在组装过程中难免会沾上灰尘和异物，在装饰前应该进行一次清理，必要时还要打磨。如果发现在非分离部位有缝隙，应以填料涂抹后再磨光。表面清理后，即可进行装饰，自制模型火箭一般需要喷涂涂料，如果有塑料件，不可使用硝基涂料，最好使用油漆。颜色根据个人爱好选择或进行调配，但应做到美观大方，色泽协调。底层最好喷涂白漆，如果漆干以后，色泽不匀，可适当打磨后再喷涂一层白漆。待干后，喷涂色漆，如果以多种颜色组合，则应先涂浅色漆，而后涂深色漆；喷涂第二道漆时.应将第一道漆用纸包裹住。每次涂漆，都应待上一次漆干以后进行，并视情况，确定要不要进行打磨。有条件时，最好使用带喷枪的漆筒进行喷漆。如果制作者有绘画才能，可以在白纸上绘制图案，贴在箭体适当位置，然后罩一层透明涂料（清漆）。7模型火箭的发射和飞行第一节概述模型火箭发射是模型火箭飞行的第一步，发射不了的模型火箭就谈不上飞行，发射需具备一定的条件，包括场地和发射设备等。设计并制作完毕的模型火箭，需要进行飞行试验，以验证火箭设计的正确性和制作工艺的好坏。在确定模型火箭方案时，最好先用纸，制作一个简单的模型进行试飞，以验证模型设计的可行性，然后进行模型正式设计。设计时应该估算模型的质量，确定模型的质心和压心位置。根据