三助推捆绑水火箭制作与创新

李 江 覃敏杰 周素梅

一、引言

2019年6月25日，我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载捆绑火箭成功发射第四十六颗北斗导航卫星，鼓舞了广大的火箭爱好者探索宇宙。作为物理教师，利用课余时间积极探索了一种适合于教学的火箭—水火箭。三助推捆绑水火箭也称多节单体三助推水火箭，是水火箭的一种，是对单体单节水火箭的继承和创新，由三个主推器和一个单体多节箭体组成。它能够实现三助推器和单体多节箭体的自动分离，让水火箭飞得更高，更远，它是目前已知的最先进的水火箭，也是射程最高的水火箭之一，最高可达500 m。

二、研究背景

国内有关三助推火箭的研发比较少，多为单节水火箭，射程比较近，一般50 m左右。国外关于水火箭的研究比较多，其中澳大利亚的一对父子对水火箭设计得最为先进，射程更远，可达150 m以上，并实现三助推水火箭的有效回收，实现二次或多次利用，节约成本。

目前，国内各个学校都在大力开展选修课，举办门类齐全的科技活动，让学生德智体美劳全面发展。其中，水火箭的制作是一门有趣的选修课科技活动，大多数学校开展的水火箭制作是单级单节水火箭的制作，如何让水火箭飞得更高、更远是科技活动中一直在研究的问题，而如何将水火箭中蕴含的物理知识应用到物理教学中，也是教师一直在思考的问题。

三、科技活动中三级助推水火箭的创新制作与发射

三助推捆绑火箭实物图和结构图如图1所示。

图1 三助推捆绑火箭实物图和结构图

1.主要部件的制作方法

(1)制作材料

1.25L的可口可乐瓶若干，空心螺丝若干，进口胶水，密封胶，空心螺母若干，延时继电器，方形电池，纸板，环氧树脂管，电工胶布，瓶口连接器，喷嘴，舵机，导线等。

(2)主体箭体降落伞仓和箭头的制作

结构图如图2所示。

图2 水火箭降落伞仓结构图

①将硬纸板切成2个直径为9 cm的圆形纸板，再切2个长为13 cm、宽为5 cm左右的纸板，按照图2所示将延时继电器、方形电池和舵机组装好。

②将环氧树脂管切成图3左一所示的结构，并将另一个环氧树脂管打磨形成图3中右一所示的圆锥体。

图3 环氧树脂管制作图

③按照图4所示的结构组装降落伞仓和箭头。

图4 降落伞仓和箭头的组装图

(3)主体箭体和三个助推器的制作

①在距离可口可乐瓶瓶底1 cm左右的位置切开，用80 ℃的热水烫一下切开的开口，然后将两个切开瓶底的瓶子用胶水粘住(全口径连接)，如图5所示，这样就制作出一个助推器。

图5 助推器制作图

②将另外制作好的3个如图5的助推器用可口可乐连接器接好，这样三助推捆绑水火箭就制作完成。

(4)助推器和主体箭体的连接装置的制作

连接器的原理图如图6所示，将6个空心螺丝用进口胶水固定在主体箭体上，然后在三个助推器上分别固定2个金属不锈钢扣子。

图6 连接器的原理图

2.三助推水火箭的发射

选择一个无风、空旷的环境进行三助推水火箭的发射实验，将火箭的气压加到9个大气压后发射，三助推水火箭在强大的反冲力下高速飞向天空，飞到100 m左右时，三助推器和主体箭体分离，主体箭体继续向上飞直至高压水喷射完，达到150 m高时延时降落伞自动打开，主箭体在降落伞的作用下缓慢落到地面(如图7、图8所示)。

图7 发射瞬间

图8 主体和助推器分离瞬间

四、三助推捆绑水火箭的创新性

1.动力方面的创新性

传统制作方法的单体水火箭的碰嘴只有一个，动力小，射程近。三助推火箭实现了发射时4个喷嘴同时向下喷射高压水柱，动力更大，射程更远。

2.助推器和主体分离原理的创新性

助推器和主体分离的分离方式很多，常用的有重力分离、气压差分离，但这两种方法均容易在高压下漏气，影响发射效果。这种三助推火箭的分离方式利用的原理是：在飞行过程中，当三个助推器里的气压和水柱减小时，推力减小，三个助推器的速度慢慢减小，当速度小于主体箭体的速度时，自动和主体箭体分离。原理简单，易于制作，对气密性要求降低了，保证了发射的质量。

3.助推器和助推连接处的创新性

以前的实验中制作连接器用的是铝板，给制作和使用过程中带来了极大的不便。首先，铝板较重，增大了火箭的负重，大大降低了火箭的射程；其次，铝板要切割成一定的形状，比较麻烦，成本较高；最后，铝板比较软，在强大的压力下，容易变形，影响发射效果，发射后落在地面容易变形，不能多次利用。这款火箭使用进口胶水固定空心螺丝，耐压强，大大地减小了火箭的质量。

4.降落伞打开方式的创新性

降落伞一般利用重力或空气阻力打开，但这些打开方式稳定性较差。本款火箭利用延时继电器来控制降落伞的打开，稳定性更高，而且能够实现自动控制。

5.瓶与瓶之间“母母”连接的创新性

以前的实验中，瓶与瓶之间“母母”连接(“母母”指的是瓶底与瓶底)采用的是直径为10 mm的空心螺丝，由于口径小，水不能全部喷射出来，大大影响火箭的动力和射程。而在本实验设计的三助推水火箭中，瓶与瓶之间“母母”连接采用“全口径连接”方式，瓶底与瓶底直接连接在一起，大大提高了出水的速率和出水量，有效地提高了射程。

五、结语

三助推捆绑水火箭的制作是一项非常复杂的工作，教师和学生在研制三助推水火箭的过程中，培养了学生的科学素养精神和实践创新能力。同时，学生在研制的过程中思维得到锻炼，意志力得到提高，知识得到升华。在实践过程中，通过不断克服所面临的技术问题，促进水火箭技术的提高，实现水火箭飞得更高、更稳定的目标。