火箭的天空

1模型火箭二、三事威尼斯-洛城-11月的天空火箭的天空陳華傑模型火箭二、三事2目錄•模型火箭概念•安全操作準則•基本構造與飛行程序•推進、點火與發射裝置•組件設計要點•低阻力外型設計模型火箭二、三事3模型火箭概念•模型火箭定義：真實火箭的縮小版–使用紙、巴沙木或塑膠等無金屬輕質材料製。本身含有回收器與推進器，可重複裝填藥柱發射。–火箭總重低於453克、推進器藥柱重小於113克。採用電路遙控點火發射。–小尺寸設計，滿足價廉，簡單及安全的要求。–發射時須確實遵守安全操作準則。模型火箭二、三事4模型∕真實（固體）火箭比一比模型火箭真實火箭速度、推力低、小(＜30牛頓)高、大(百萬牛頓)飛行高度大氣層內低空區域可飛出大氣層外動力飛行時間小於2秒可長達2分鐘藥重比(mp/m0)低於0.3可高達0.95外殼主要材料紙、塑膠、巴沙木鋁、鋼、鈦、FRP推進劑低能、廉價原料高能、高價原料飛行控制能力無控制翼、推力向量目的教學、休閒研究、商業、軍事模型火箭二、三事5模型∕真實（固體）火箭比一比•異中求同–受到四種力量：推力、阻力、升力、重力–重要構造：外殼、噴嘴、點火器、推進藥柱–要求飛行穩定性與低阻力外型設計–運用相同的運動定律與飛行操作原理–飛行速度與高度均是性能追求目標模型火箭二、三事6認識固體火箭組件：點火器、燃燒室、藥柱及噴嘴。燃燒室外殼：鋁、高強度合金鋼、複合材料（繞線強化塑膠FRP）。推進劑：雙基推進劑、組合推進劑（氧化劑、燃料、膠合劑）。藥型：圓柱型、中空圓管型、星型、十字型、圓管開槽型、多翼型。選擇合適的藥型及尺寸，符合性能要求（總衝量、推力—時間曲線）模型火箭二、三事712項安全準則美國全國火箭協會模型火箭安全規範：1.材料︰紙、木材、塑膠等非金屬輕質材料。2.推進器︰經過火箭協會認證的合格商用產品（安全藥柱），不對組件或成份作任何改變。3.回收器︰使火箭能安全回到地面，可重複使用。並採用防火填塞。4.重量及動力︰總重＜453公克，藥柱重量＜113公克（推進器總衝量＜320牛頓-秒）。5.飛行穩定︰確認滿足穩定飛行條件後，才進行發射。6.發射位置︰遠離大樹、電線、建築物、乾燥樹叢和草原外的空曠區域。模型火箭二、三事812項安全準則7.發射器︰引導火箭達成安全飛行路線。發射桿末端需高於眼睛位置，停用時需拆解或罩上套子。8.點火要求︰採用遙控電路點火，人員離發射處至少4.6公尺。點火開關釋放後，需能回復到斷電狀態。9.發射安全性︰火箭飛行路徑不會撞擊任何目標物。除非發射系統斷電，否則不讓任何人接近發射架。10.飛行條件︰風速高於9公尺／秒、會飛進雲內、可能接近飛機或會危害人員及財產時，不進行發射。11.發射角度︰不作水平發射，發射桿與鉛垂線夾角＜30°。12.回收危險︰火箭被電線糾纏或落在危險區，放棄回收。模型火箭二、三事9模型火箭構造•鼻錐段（nosecone）–位於模型火箭最前端，可減少飛行阻力。•箭身（body）–中空、薄壁圓筒構造，內部存放回收器、填塞及推進器，前、後安裝鼻錐端與尾翼。•發射耳（launchlug）–黏著於箭身外部的小段吸管，用於穿過發射桿滑動，引導火箭發射方向。•回收器（recovery）–塑膠降落傘或紙飄帶。於推進器作用完畢後，從箭身彈出，使火箭緩慢著地。模型火箭二、三事10模型火箭構造•推進器（motor）–裝有安全藥柱的容器，可產生火箭所需的推力。•尾翼（Fins）–安裝在箭身末端的翼片，具有飛行穩定與導向功能。•填塞（recoverywadding）–裝填在推進器與回收器之間的耐火材料。保護回收器不被推進器熱氣燒毀，也作為彈出回收器的活塞。•點火器（igniter）–以電路啟動的點火器。模型火箭二、三事11模型火箭飛行•發射–點火後在0.2秒的時間內，以約13公尺/秒速度離開發射架。•動力飛行–以1秒以內的時間作動力飛行，推進藥柱燃畢時高度約在15～60公尺間，飛行速度約45～90公尺/秒。•滑升–推進器燃燒延遲藥柱（幾乎不產生推力），接續滑行上升。•彈射–接近最高點時，引燃彈射藥，產生壓力推擠填塞。將回收器推出，並使鼻錐段與箭身分離。•降落–回收器在空中展開，使火箭減速，緩慢安全降落地面。模型火箭二、三事12推進器構造•模型火箭的推進器功能︰–產生推力使火箭前進飛行。–產生壓力將回收器從箭身內彈出。•推進器構造–外殼牛皮紙捲繞的圓筒狀。內裝頭套、噴嘴及固體藥柱（含推進藥柱、延遲藥柱與彈射藥）。–推進藥柱當推進器的噴嘴端點火後，固體藥柱自噴嘴端往前燒，熱氣由噴嘴向後噴出，產生推力使火箭前進。模型火箭二、三事13推進器構造–延遲藥柱位於固體藥柱前端，採用燃速很低的推進劑，幾乎不產生推力，讓火箭持續減速，滑行上升到最高點。–彈射藥延遲藥柱燃畢即點燃彈射藥，在箭身內快速產生氣體增加壓力，向前壓迫填塞與回收器擠出鼻錐段，彈出箭身外。–頭套紙或薄瓷塞製成的頭套，將彈射藥固定在位置上，在彈射藥點燃作用時即破碎。–噴嘴推進藥柱燃燒熱氣的排出口。模型火箭二、三事14點火系統•採用簡單、可靠與安全的電路點火方式。•點火器–當電流通過很細的鎳鉻絲時，因電阻而發熱，使周遭點火藥溫度上升到點火溫度，產生燃燒反應，執行點火功能。•電路點火系統：–控制器：壓下按鈕開關時，點火電路成為通路，電流通過點火器發射火箭。按鈕釋放後，電路回復成斷路狀態，以確保操作安全。–電池：電池至少須在6伏特電壓下，提供1安培的電流。–連接線：傳送點火電流。模型火箭二、三事15發射系統•模型火箭發射時，因為沒有足夠的氣流速度，使尾翼發揮飛行穩定作用，確保火箭沿著鼻錐的指向飛行。故須使用發射裝置，引導發射時的飛行方向。•發射系統：–發射器底座：使用一塊19mm厚，30cm30cm的三夾板，在中心處穿個3.2mm直徑的垂直孔，以容納發射桿。（有些發射器有傾斜機構，可調整發射桿與鉛垂線的夾角，但角度須小於30°）。–發射桿：由一枝直徑3.2mm、長度大於914mm的鋼條，垂直（近乎垂直）安裝於發射器底座。–發射桿的尖端在不使用時須套上護罩，以免戳傷眼睛。模型火箭二、三事16組件設計要點•鼻錐段︰–肩部外徑需略小於箭身內徑，以便自由滑動與箭身脫離。外型則以略微修圓的鼻端較佳。•箭身︰–薄壁紙筒構造，直徑從0.5公分到15公分，常用的長度為46公分及61公分，管壁厚度約為0.16公分。•推進器安裝︰–將推進器牢固安裝在箭身內末端，使得產生推力時不會向前滑動，點燃彈射藥時，不會向後滑出箭身。–固定推進器與箭身準直對齊，使推力沿著箭身中心軸作用模型火箭二、三事17組件設計要點•尾翼︰–提供飛行穩定性，確保直線及可預測的飛行路徑。–通常採用厚紙板或巴沙木製作，膠合在箭身尾端。–巴沙木的木紋方向需平行於尾翼的前緣而非平行於箭身，以增加結構強度，避免折斷。–1/16吋厚的巴沙木適用於小型火箭，較大的火箭可使用3/32吋或1/8吋的厚度。–採用流線型的尾翼截面（圓形的前緣及漸縮的後緣）可使性能及飛行高度加倍。模型火箭二、三事18組件設計要點•衝擊繩︰–衝擊繩連接鼻錐段及箭身，採用長度大於46公分的棉繩（過短時會在彈射過程扯斷），使鼻錐段彈離箭身後減速。–衝擊繩一端可以穿過衝擊鎖紙片後，膠合在箭身內部。•回收器︰–塑膠或紙製的長條型飄帶，經由衝擊繩繫在接近鼻錐段的一端。適用於重量低於85克的火箭。–最常見的回收器是降落傘，多採用6～8個邊搭配6～8條傘繩的型態。降落傘愈大，火箭在空中飄得愈久愈遠。–直徑20～25公分的降落傘，適用於重量57公克以下的火箭。模型火箭二、三事19低阻力外型設計•滿足飛行穩定的密技：壓力心在於重心後方，約1～2倍箭身直徑位置※（氣流對尾翼施力，達成飛行穩定。假設所有施力集中作用於箭身的某一點，稱為壓力心）箭身的長度須大於直徑的10倍尾翼對齊箭身的中心軸，減少箭身的滾轉增大尾翼提高穩定性時，儘可能增加翼展尺寸•火箭可以沿著鼻錐指向穩定飛行。模型火箭二、三事20低阻力外型設計•降低飛行阻力的絕招︰火箭的全部表面，保持平滑如鏡。圓錐型鼻錐段，長度與直徑比約在2～3。三片尾翼較四片尾翼阻力低。箭身與尾翼膠合處的填隙要修圓。尾翼前移離箭身尾端一個箭身直徑。發射耳安置在箭身／尾翼的接合處。尖形的尾翼外緣及截短的三角翼。模型火箭二、三事21模型火箭二、三事22模型火箭二、三事23模型火箭二、三事24模型火箭二、三事25模型火箭二、三事26模型火箭二、三事27