让模型火箭冲天高飞

姜敏

近年来，航空模型运动开展得如火如荼。成功入选2017年全运会的群众体育竞赛，更为这项运动的发展起到积极作用。在大型航模赛事中，航天模型因观赏性强逐渐为人熟知，并在各类航空航天科普活动中占有一席之地（图1、图2）。

与固定翼模型、多旋翼飞行器相比，模型火箭虽然无法做出特技飞行动作，但是短短几秒、十几秒发射过程中的声光效果，足以吸引观众的注意力。

采用固体燃料的模型火箭是航天模型中不可或缺的一员。为了备战“科研类”全国航空航天模型锦标赛，笔者曾做了大量有关模型火箭的探索研究，收获了很多经验。在此介绍一些模型火箭总体设计、制作和试验技巧，尤其是对其飞行速度影响较大的头锥的设计方法。

模型火箭的组成

模型火箭大体由箭体、尾翼、发动机、降落伞和头锥几部分组成（图3、图4）。

一、箭体

箭体是模型火箭的主要构件，可用铝合金、亚克力等材料加工，也可用硬纸筒进行快速制作（图5）。目前可以从市面上买到各种尺寸规格的成品纸筒，如内径10cm、厚3mm的纸筒，在很大程度上满足了制作需求。若要自行制作，先做好芯模，再用纸或纸板卷成形，弯曲成所需内径、厚度的空心直筒。进行这一步时，可用直尺辅助。

整个模型的长度和直径比例以9：1左右为宜。具体尺寸与模型的有效载荷有关。计算时先确定箭体直径，再得出箭体长度，进而确定模型火箭总重，以及发动机的数量、大小和分布方式。这一过程需要反复迭代运算。根据笔者经验，总体设计是一个不断协调飞行器各部分需求的过程，绝不能想当然地用一次计算确定所有参数。

二、尾翼

尾翼的作用是稳定模型火箭的飞行姿态和轨迹。模型火箭一般采用3-4片尾翼，其形成的相交面要通过火箭轴线，并均匀、对称地分布在箭体尾段周围。

画出设计图后，可用3D打印机或激光切割机加工模型火箭的尾翼，然后用砂纸对表面抛光，并将其前缘打磨成圆弧状、后缘打磨成刀口状。这几步是为了让尾翼横截面呈流线形，减小其在飞行时受到的空气阻力（图6）。建议用2-3mm厚的椴木层板制作尾翼，比轻木的更结实耐摔。

最简便的粘接尾翼的方法是将切割好的翼片直接对接在箭体表面，以环氧树脂胶（又名AB胶）连接，尽量避免出现空隙。但多次试验证明，这样只能保证粘接处基本的结构强度。在模型火箭回收部分着地瞬间，因瞬时冲击应力过大，尾翼极易从翼根处断裂。为此，笔者利用3D打印技术设计制作了1个既能与箭体完美契合，又能连接尾翼片的连接件。为了让几个翼片精确、对称地安装，还用轻木板做了1个辅助工具。安装时先用环氧树脂胶粘接3D打印的连接件，然后把箭体放入辅助工具内，依次对准安装位置粘接翼片。在这个过程中，可不断用丁字尺校准尾翼片的安装位置。

三、发动机

出于安全考虑，模型火箭使用成品发动机。陕西四凯火箭技术有限公司专门生产各种型号的模型火箭用发动机，常用的種类见表1。

在总体设计阶段，根据模型火箭总重估算所需推力，就能选出总冲、工作时间合适的发动机及其数量。它们可并联在电路中，以保证同时点火发射。

多个发动机宜适当分散在箭体中（图7），安装孔径比发动机直径略大（约0.8mm），以保证紧密配合。为使其推力合力精准地沿箭体中轴线而不倾斜，可在发动机组的中间和顶端加装两层发动机固定板，并用水平仪测量安装是否倾斜。

四、降落伞

降落伞是重要的回收装置（图8），用以减小模型火箭触地时的撞击力，延长使用寿命。降落伞由伞布、伞绳和弹性绳组成。对飞行高度和留空时间要求不高的模型火箭多用塑料薄膜（如一次性餐桌布）做伞布。至于专业级模型火箭，最好用薄丝绸或尼龙绸做伞布。

伞绳用粗线绳制作，与伞布间以针线缝合牢靠。如果伞布材料为塑料薄膜，那么用双面胶粘接伞绳不失为一个可靠简便的办法。但粘贴时必须注意，先让伞绳按“之”字形在双面胶上来回粘贴，尽量增大接触面积、增加粘贴强度。

如果降落伞的拉力过大，可在伞顶开1个大小合适的洞，使其能提供需要的升力，提高回收模型的准确性。

降落伞上自带有开伞功能的装置，有时还配套延时器，以增强开伞效果（图9）。

五、头锥

头锥通常采用塑料材质，以注塑或吹塑方法成形，要求尺寸精确、表面光洁。如果用牛皮纸制作，头锥型面难以做成卵形，通常只能是圆锥形（图10），但能够满足基本强度需求，而且制作方法简单。笔者在比赛期间，曾遭遇备份材料不够而又必须做试验机的情况，当时牛皮纸卷的头锥就解决了燃眉之急。

模型火箭头锥的设计

头锥位于模型火箭顶部，是一个具有良好流体特性的尖状椎体（图11）。在飞行过程中，不同形状的头锥具有不一样的气动特性，它产生的阻力会直接影响模型火箭的飞行性能。就其功能而言，模型头锥相当于运载火箭上的整流罩（图12），既能保证有效载荷不被外界因素破坏，又能使模型火箭的头部具有良好的气动外形，减小飞行阻力。

模型火箭头锥的设计需遵循以下几点设计原则：

在设计和制作模型火箭时，选择合适的头锥形状非常重要。因为模型火箭都是低空低速飞行，所以其头锥的阻力主要有压差阻力和摩擦阻力。经过研究，笔者发现平头形状的头锥是同尺寸所有形状中阻力最大的。图13以平头形状的头锥阻力为参考，描述了不同形状头锥阻力的相对大小，图14则模拟了平头和卵形头锥上的压力分布。

在此推荐一种低阻高效的头锥外形——长度与直径比例为3：1的圆头卵形头锥。图15给出了两种卵形模型火箭头锥的画法，分别是长径比为3：1和2：1的头锥。图中只给出了卵形头锥的一半外部形状曲线，完整图纸还包括与之对称的另一半（图16）。

由于模型火箭需要具备开伞等功能，因此头锥下部应有一段圆柱体，其外径略小于箭体内径，以方便插入箭体。

最后简单介绍几种模型火箭头锥的制作方法。

1.3D打印技术

3D打印技术非常适用于加工模型零部件（图17）。只要画好设计图、导入3D打印机，就可选择需要的原材料，得到精确尺寸的模型头锥。这样制作部件的一体化程度高，缺点是头锥尺寸受打印机限制。小型3D打印机的最大成型尺寸是180mm，大型3D打印机在410mm以上。

2.工业流水线作业制作

这类模型火箭头锥一般为塑料材质，以注塑或吹塑成型法制造，其尺寸精确、表面光洁。缺点是无法完全满足自制模型火箭的要求。

3.用轻木块车制或削制

该方法常用于自制模型火箭头锥。车制或削制后应用砂纸把头锥打磨光滑，进一步减小其气动阻力，且便于喷涂颜料。

4.用牛皮纸、纸板卷制或材料剪裁

前面说过，用牛皮纸卷制的模型火箭头锥，虽然难以做成卵形，通常只能是圆锥形，但制作方法简单、材料易得。在水火箭比赛中，运动员还会把饮料瓶等物件的部分剪下，裁切后当作模型火箭头锥。

整体装配模型火箭时，首先要调节的就是其重心位置。让模型火箭的重心稍微偏下，能使它在发射时保持箭体竖直不偏斜，有利于精准发射和回收（图18）。