基督教復臨安息日會青少年榮譽解答手冊/藝術與手工藝/模型火箭

模型火箭
藝術與手工藝總會參見模型火箭 - 高階	技能等級 1
藝術與手工藝總會參見模型火箭 - 高階	介紹年份：1970

模型火箭榮譽是工匠大師獎的組成部分。

(需要指導老師)

1. 瞭解並解釋模型火箭安全守則。

材料。 我將只使用輕質非金屬部件作為火箭的鼻錐、機身和尾翼。
發動機。 我將只使用經過認證的商用模型火箭發動機，不會篡改這些發動機或將其用於製造商推薦用途以外的任何用途。
點火系統。 我將使用電力發射系統和電力發動機點火器發射我的火箭。我的發射系統將在發射開關上安裝一個安全聯鎖，並將使用發射開關，該開關在釋放時返回到“關閉”位置。
啞火。 如果我的火箭在按下電力發射系統的按鈕時沒有發射，我將移除發射器的安全聯鎖或斷開電池，並將等待上次發射嘗試後 60 秒，然後再允許任何人靠近火箭。
發射安全。 我將在發射前進行倒計時，並確保在發射 D 級或更小的火箭時，所有人都在關注並保持至少 15 英尺的安全距離，在發射更大的火箭時保持 30 英尺的安全距離。如果我對未經測試的火箭的安全性和穩定性不確定，我將在飛行前檢查穩定性，並且只有在警告觀眾並將他們疏散到安全距離後才會飛行。
發射器。 我將從指向垂直方向 30 度內的發射杆、發射塔或發射軌發射我的火箭，以確保火箭幾乎直線上升，我將使用防爆板防止發動機的排氣撞擊地面。為了防止意外的眼睛傷害，我將放置發射器，使其發射杆的末端高於眼睛水平，或者在發射杆不使用時將其末端蓋上。
尺寸。 我的模型火箭在發射時的重量不超過 1,500 克（53 盎司），並且不包含超過 125 克（4.4 盎司）的推進劑或 320 N-sec（71.9 磅-秒）的總衝量。如果我的模型火箭在發射時的重量超過一磅（453 克）或推進劑超過四盎司（113 克），我將在飛行前檢查並遵守美國聯邦航空管理局的規定。
飛行安全。 我不會將我的火箭發射到目標、雲層或飛機附近，也不會將任何易燃或爆炸性有效載荷裝入我的火箭。
發射場。 我將在戶外發射我的火箭，在一個開放區域，該區域至少與附表中所示區域一樣大，並且在安全的天氣條件下，風速不超過每小時 20 英里。我將確保發射臺附近沒有乾草，並且發射場沒有引發草火的風險。
回收系統。 我將在我的火箭中使用回收系統，例如流蘇或降落傘，以便它能夠安全地返回並保持完好無損，以便能夠再次飛行，並且我將只在火箭中使用阻燃或防火的回收系統填充物。
回收安全。 我不會嘗試從電線、高樹或其他危險的地方回收我的火箭。

http://nar.org/NARmrsc.html

2. 瞭解並解釋基本模型火箭元件的重要性。

上圖顯示了單級模型火箭的各個部件。我們已將火箭側放，並在機身管中切開一個孔，以便我們可以看到裡面的情況。從最右邊開始，火箭的機身是由綠色紙板管制成的，後面連線著黑色的尾翼。尾翼可以由塑膠或輕木製成，用於在飛行過程中提供穩定性。模型火箭使用小型預包裝固體燃料發動機。發動機只使用一次，然後在下次飛行時更換新的發動機。發動機有多種尺寸，可以在愛好商店和一些玩具商店購買。發動機的推力透過發動機安裝座傳遞到火箭的機身。這部分固定在火箭上，可以由厚紙板或木頭製成。發動機安裝座上有一個孔，以便發動機的彈射藥在滑行階段結束時對機身管加壓並彈射鼻錐和回收系統。回收填充物插入發動機安裝座和回收系統之間，以防止彈射藥的熱氣損壞回收系統。回收填充物與發動機一起出售。回收系統由降落傘（或流蘇）和一些連線降落傘和鼻錐的繩索組成。降落傘和流蘇由薄塑膠片製成。鼻錐可以由輕木或塑膠製成，可以是實心的或空心的。鼻錐在飛行前插入機身管。彈性減震繩連線到機身管和鼻錐，並在回收過程中用於將火箭的所有部件保持在一起。發射掛鉤是連線到機身管的小管子（吸管）。發射軌穿過這些管子，為火箭在發射過程中提供穩定性。

來源：http://exploration.grc.nasa.gov/education/rocket/rktparts.html

3. 繪製以下內容

a. 模型火箭飛行步驟

發射： 發射從發動機點火開始，到火箭離開發射架結束。
動力上升： 發動機點火後，產生推力，使火箭離開發射臺，升入空中。發動機將持續提供推力，直到它燃燒完，並繼續推動火箭升空。
滑翔飛行： 發動機將燃燒一定時間後停止。此時，火箭會短暫延時，並利用在推力階段獲得的動量繼續向上滑翔。當發動機燃燒完延遲藥後，它會留下煙霧軌跡，供發射者觀察。
彈出藥： 在延遲結束時，發動機點燃彈出藥，將火箭的鼻錐彈出，並展開回收系統。
緩慢下降： 火箭使用以下回收方式之一返回地面。
回收： 火箭著陸後，通常可以由其主人回收。

來源： http://exploration.grc.nasa.gov/education/rocket/rktflight.html

b. 模型火箭發動機剖檢視，標註每個部件

c. 使用適當的電氣符號繪製一個簡單的發射系統的原理圖

在這個發射器中，電源由電池提供。當安全開關閉合，點火器連線到端子（通常是一對鱷魚夾）時，電流從電池流出，流經LED和電阻（點亮LED），流經點火器，流經開關，最後回到電池，完成電路。由於電流必須流經LED和電阻，電流會大大減小，不足以使點火器充分加熱並啟動火箭發動機。該電路中的電阻為300歐姆，足夠高，可以防止點火器發熱，但足夠低，可以點亮LED。

一旦發射開關閉合，電流將流經開關，而不是流經LED和電阻。由於開關對電流的阻抗非常低，電流會大大增加。這種增加的電流會使點火器加熱到足以啟動火箭發動機的溫度。

4. 定義以下術語

a. 填充物

填充物是一種防火紙狀物質，將其揉成團，放在發動機和回收系統之間的機身管內。它的目的是防止發動機釋放的熱氣體損壞回收系統和有效載荷。填充物與發動機一起出售，包裝在一起。

b. 助推滑翔機

助推滑翔機是一種透過火箭動力發射到空中的模型，然後它的一部分或全部使用氣動控制面平穩地滑回地球。在動力上升階段，滑翔機部分充當連線到火箭上的穩定彈道體。然後，它在滑翔飛行階段過渡到滑翔機。這種過渡是助推滑翔機設計中最具挑戰性的方面。

c. 失速

在空氣動力學中，失速是指機翼產生的升力突然減小。這種情況通常發生在機翼的臨界迎角超過時。

d. 有效載荷

火箭的有效載荷放在鼻錐中。在模型火箭中，可能根本沒有有效載荷。

e. 頂點

火箭的頂點是其飛行軌跡的最高點。

f. 重心

所有物質，無論大小、質量或形狀，在其內部都有一個點，稱為重心，或者更常見的是質心 (CM)。質心是物體所有質量完美平衡的精確位置。你可以很容易地找到一個物體（比如尺子）的質心，方法是將物體放在你的手指上。如果用來製作尺子的材料厚度和密度均勻，那麼質心應該位於尺子兩端的中點。如果尺子是用木頭做的，並且在其中一端敲入了一個重釘，那麼質心將不再位於中間。平衡點將更靠近有釘子的那一端。

質心在火箭飛行中很重要，因為不穩定的火箭繞著這個點翻滾。事實上，任何在飛行中的物體都有可能翻滾。扔一根棍子，它就會翻滾。扔一個球，它就會在飛行中旋轉。旋轉或翻滾是一種在飛行中變得穩定的方式。飛盤只有在用一定的旋轉力扔出時才能到達你想要它去的地方。試著不旋轉飛盤扔它。如果你成功了，你會發現飛盤會以不規則的軌跡飛行，並且會遠遠地落在目標之外。

g. 壓力中心

除了質心之外，火箭內部還有另一個重要的中心會影響其飛行。這就是壓力中心 (CP)。壓力中心只在空氣流過運動的火箭時存在。這種流動的空氣與火箭外表面摩擦和推動，會導致它開始繞著其三個軸中的一個運動。想一想風向標。風向標是一根箭狀的棍子，安裝在屋頂上，用於指示風向。這支箭連線到一根作為支點的垂直杆上。這支箭是平衡的，因此質心正好位於支點。當風吹過時，這支箭會轉動，箭尖會指向迎面而來的風。箭尾指向下風方向。

風向標箭尖指向風向的原因是箭尾的表面積遠大於箭尖。流動的空氣對箭尾施加的力大於對箭尖的力，因此箭尾被推開。在箭上有一個點，其兩側的表面積相同。這個點稱為壓力中心。壓力中心的位置與質心不同。如果它們在同一個地方或非常靠近，那麼火箭在飛行中就會不穩定。然後，火箭將試圖繞著質心在俯仰和偏航軸上旋轉，從而產生危險的狀況。如果壓力中心位於正確的位置，火箭將保持穩定。

火箭的壓力中心位於尾部，質心位於頭部，這一點非常重要。如果它們位於同一個地方或非常靠近，那麼火箭在飛行中就會不穩定。然後，火箭將試圖繞著質心在俯仰和偏航軸上旋轉，從而產生危險的狀況。如果壓力中心位於正確的位置，火箭將保持穩定。

h. 衝量

衝量可以看作是作用於物體的力的動量變化。

i. 速度

速度是速度和方向的度量。如果速度或方向發生變化，速度就會發生變化。

j. 彈出

當模型火箭的發動機點燃彈射藥時，在滑翔階段結束時發生彈射。該藥劑會炸掉鼻錐並釋放降落傘或流蘇。

5. 至少說出並描述四種不同的回收系統。

鼻錐爆炸回收

鼻錐爆炸回收是一種非常簡單的回收技術，在 1950 年代早期模型中使用，有時在現代模型中也有使用。這是一種用發動機彈射藥把火箭的鼻錐（通常用橡膠減震繩、凱夫拉繩或其他型別的繩子固定在機身管上）從機身管中彈射出去，破壞火箭的氣動外形，造成高度增加的阻力，並降低火箭的速度，使其安全降落。鼻錐爆炸回收通常只適用於非常輕的火箭。

翻滾回收

最簡單的辦法，只適用於小型火箭或橫截面積大的火箭，讓火箭翻滾著回到地球。任何進入穩定彈道軌跡的火箭都不適合使用翻滾回收。

降落傘/流蘇

小型模型火箭中最常用的方法。它使用發動機的彈射藥（見下文）來展開或推出降落傘或流蘇。空氣阻力減慢了火箭的下落速度，最終（希望）以平穩、受控和輕柔的方式著陸。

滑翔回收

在滑翔回收中，彈射藥要麼展開一個機翼（機翼），要麼從發動機上分離出一個滑翔機。如果調整得當，火箭/滑翔機將進入螺旋滑翔，並安全返回。在某些情況下，無線電遙控火箭滑翔機由飛行員像遙控模型飛機一樣飛回地球。

一些火箭（通常是又細又長的火箭）比例適當，可以安全地以尾部朝下的方式滑翔回地球。這些被稱為“倒滑”。

直升機回收

彈射藥透過多種方法之一展開直升機式的葉片，火箭自動旋轉回到地球。

6. 從套件中，組裝、完成和噴漆一個單級火箭，該火箭的最小長度為六英寸，並配有回收系統，例如降落傘或流蘇。成功發射並回收火箭，使回收系統正常展開。

國家火箭協會 (NAR) 為希望參與火箭活動的童軍和 4-H 組織提供了一份很棒的指南。你可以在這裡找到它: http://www.nar.org/pdf/youthprogs.pdf

模型火箭在許多愛好商店和玩具店有售。

參考資料

http://exploration.grc.nasa.gov/education/rocket/shortr.html