带延时降落伞的二级分离水火箭的制作与发射

李江 尹红

摘   要：笔者调研了国内外水火箭研究的状况，设计了二级分离器和延时继电器，研制了一种可以实现一级箭体和二级箭体分离的二级水火箭，介绍了水火箭的制作及发射的方法。

关键词：二级分离;水火箭;延时继电器;制作;发射

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2019）3-0048-3

编者按：1999年8月20-23日在桂林广西师大召开的国际物理教师会议期间，来自日本的物理教师团队做了发射多级水火箭的表演。给代表们很大的启发。会后，西南师大（现西南大学）的物理教师在本科教学和中学物理教师培训工作中，水火箭的制作与发射都列为一个重要内容[1]。现在20年过去了，期待年轻的教师把水火箭的制作提高到一个新水平。

2018年中国的长征十一号运载火箭多次成功发射，鼓舞着国人的心。水火箭实验是初高中教材中的重要内容，同时许多学校开设了水火箭制作的科技活动。通过水火箭的制作和使用，不但能够提高学生的动手实验能力，而且有助于加深学生对反冲运动等物理知识的理解。

1    国内外研究的现状

1.1    国外现状

水火箭的最早研究还是在国外，比如说美国和澳大利亚。国外制作的水火箭种类比较多，从单级水火箭到多级水火箭再到捆绑水火箭，尤其是澳大利亚的一对父子研究的最为先进，国外的大型二级水火箭的发射高度可达到160 m[2]。

1.2    国内现状

国内有关水火箭的研究相对来说起步较晚，主要是单级水火箭的研究比较多，二级水火箭的研究比较少[3-4]。本文介绍一种可以实现一级箭体和二级箭体自动分离的二级水火箭的制作及使用方法。

2    二级可分离水火箭（含发射架）的制作

带延时降落伞的二级分离水火箭（含发射架）的制作主要分为几个部分：箭体的制作、二级分离器的制作、二级降落伞仓及降落伞的制作和发射架的制作。

2.1    水火箭箭体的制作

二级分离水火箭实物图和结构图如图1。

（1）器材

1.25 L的可口可乐瓶3个，空心螺丝1个，螺母2个，硅胶圈2个，螺纹喷嘴，硬薄塑料板，AB胶水等。

（2）一级箭体的制作

①将2个1.25 L的可口可乐瓶的尾部打两个直径相同的孔;

②将打好孔的2个1.25 L的可口可乐瓶尾尾对齐，用空心螺丝连接好;

③在塑料板上画三个直角梯形，然后用剪刀剪下;

④用AB胶水粘在一级箭体的尾部。

（3）二级箭体的制作

将第3个可口可乐瓶的瓶盖拧下来放在一边，这个单瓶作为二级储水箭体;然后，在塑料板上画合适大小的直角梯形并剪下，再用AB胶水粘上，制成水火箭的机翼。

2.2    二级分离器的制作（如图2）

（1）器材

可口可乐瓶盖2个，亚克力管（内径6 mm，外径8 mm）1根，气动接头1个，单向阀1个，細铜线数根，乳胶管（内径8 mm，外径10 mm）1根，空心螺丝和螺母各2个，密封圈。

（2）制作方法

①将2个可口可乐瓶盖打两个相同口径的孔;

②一个可口可乐瓶盖用气动接头接上，然后在气动接头一头插上亚克力管;

③把空心螺丝固定在另外一个可口可乐瓶盖上，一头固定乳胶管;

④乳胶管的另外一头固定单向阀。

2.3    二级箭体降落伞仓及降落伞的制作

2.3.1    降落伞仓的制作（结构图见图3）

（1）器材

1.25 L的可口可乐瓶1个，乒乓球1个，舵机1个，纸板1张，驱动板延时继电器（型号Rism1路）1个，细导线若干，方形电池1个，橡皮筋2根，小型开关1个，双面胶布1个。

（2）制作

①将可口可乐瓶在距离瓶口2/3处切开，再将可口可乐瓶口切掉;

②将乒乓球切去一半并粘在可口可乐瓶口;

③将纸板切割并制作成如图3所示的结构，并将电池、舵机、延时继电器固定在相应的位置;

④将降落伞仓套进切好的可口可乐瓶里。

2.3.2    降落伞的制作

（1）器材

雨伞布2块，30 cm长的细线若干。

（2）制作

a. 将两块雨伞布剪成两个正六边形;

b.在每个角落扎一个孔，并在每个孔系一根细线，就做成了降落伞，每一级火箭需要配一个降落伞。

2.4    发射架的制作（图4）

（1）器材

快速接头（型号4分）1个，木板1块（长0.4 m，宽0.4 m），支架4个，导轨4根，气嘴，尼龙线1根，直支架1个。

（2）制作

①在木板的正中间打一个小孔，将安装有气嘴的快速接头固定在小孔上;

②在四个脚安装支架，并安装导轨。

3     水火箭的飞行原理

3.1    飞行原理

二级水火箭飞行的动力来自高压水的反冲力。当第一级水火箭上升到一定高度减速到一定程度时，一级箭体里面的气压减小后，乳胶管对二级箭体亚克力管的压力也减小，从而第二级水火箭就会在瓶内气压的作用下脱离一级箭体，实现二级自动分离。一级箭体分离后，二级箭体加速飞行（发射高度可达120 m左右）。水火箭飞行到一定高度后，当达到预先设置好的延时时间，降落伞仓门自动打开，降落伞被弹出仓门，在空气阻力的作用下降落伞会打开。

3.2    与一级水火箭相比，二级水火箭的改进之处

过去，单级水火箭有储水少、射程近、从高空降落着地时容易摔坏、不能多次使用等一些问题，一直困扰着水火箭的制作者。带延时降落伞的二级分离水火箭的出现，成功地解决了这些问题。首先，二级水火箭有两个箭体，两个箭体都能储水，大大增加了水火箭的射程;其次，二级水火箭安装了二级分离器，实现了一级箭体和二级箭体的自动分离;最后，二级水火箭安装了延时降落伞，在二级箭体下落过程中自动打开降落伞，避免二级箭体落地摔坏，实现多次利用。

4    二级水火箭的发射方法

（1）检测一级箭体和二级箭体的气密性，确认无误后再进行后续步骤;

（2）组装二级水火箭，并将二级水火箭固定在发射架上;

（3）安装二级箭体的延时降落伞;

（4）加水：一级箭体加三分之二的水，二级箭体加三分之一的水;

（5）打气：用小型空压机将二级水火箭加到7～8个大气压再发射。（正常情况，在这个大气压下能飞行100 m左右的高度）。

（6）发射：选择一个较为空旷的发射场地，打开事先设置好的延时继电器开关（注意：一般水火箭飞行时间在6～8 s，为了确保有充足的时间进行发射，设置延时继电器的延时时间为10 s左右），确保无风的情况下拨动发射架开关，水火箭就腾空而起。

5    注意事项

5.1    稳定性

各级箭体的大小搭配要合适，一般来说，由于一级箭体在底部，二级箭体在上面，一级箭体的节数要比二级箭体的节数多，这样才能保证整个二级箭体的稳定性。

5.2    气密性

气密性是二级水火箭发射成败的关键，容易出现漏气的地方有：一级箭体的连接处、二级分离器的连接处和喷嘴处。所以，在制作过程中，要在这3个环节多加注意，制作好后要先检查二级水火箭的气密性后再发射。

5.3    注意安全

带延时降落伞的二级水火箭的制作是比较复杂的，起飞时有一定的危险性，建议由有制作实验仪器经验的物理教师进行二级水火箭的制作工作。取得实际经验后，再指导学生参与。特别是在发射二级水火箭的时候，要注意把握火箭的飞行方向，更要做好学生的安全防护工作。

6    小   结

在水火箭技术研究过程中，带延时降落伞的二级水火箭的制作具有重要的意义。实现让水火箭发射得更远，在空中一级箭体和二级箭体能够分离。同时，实现了箭体在下落过程中自动打开降落伞仓门，使火箭箭体随降落伞慢慢地降落，起到保护的作用。实现了水火箭的反复利用。

在制作和使用过程中，会遇到一些困难。但是通过二级水火箭的制作和发射，不但可以培养教师的指导能力和学生的动手能力、创新能力，还可以加深对一些物理知识（动量守恒定律、反冲和牛顿第三定律）的理解。

参考文献：

[1]吕宗友，陈晓莉，王柏庐.水火箭的制作与发射[J]. 物理教学探讨，2002，20（9）：44-45.

[2]Air Command：Water Rockets，28th October 2017. http：//www.aircommandrockets. com/site_index.htm#Videos

[3]汪海. 二級加压水火箭的制作方法[J]. 物理实验， 2012， 32（6）：23-25.

[4]秦仲强.研制“水火箭”[J].中学物理教学参考，2000，29（11）：39-40.

（栏目编辑    王柏庐）