下期模型火箭制作教学案.docx

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下期模型火箭制作教学案

模型火箭制作

第一节概述

模型火箭的设计和制作是研制模型火箭的两大支柱。

模型火箭制作分单件制作和批量制作，前者多为个人行为的手工制作，后者则由厂家采取模具和机械加工；前者用料多为纸板、木料和塑料板；后者主要使用纸张和塑料制品。

一枚制作精良的模型火箭，不仅是一件得心应手的体育用品或科普器材，而且也应是一件可供欣赏的精美工艺品。

这就要求制作者除具备有关模型火箭的设计和制作工艺知识外，还应具有艺术鉴赏、艺术创作和实际操作能力。

上一章，我们在讲解模型火箭飞行原理的基础上，介绍了模型火箭的零部件设计方法；本章将着重介绍手工制作单件模型火箭的材料、工具和具体零部件的加工方法。

第二节材料和工具

一、模型火箭的常用材料

根据《FAI运动规则，4d部分，航天模型》规定，用作模型火箭的材料必须是非金属，除发动机的卡钩外，不得使用任何金属材料及其制品。

（一）纸和纸板

纸是一种由植物纤维、矿物纤维、动物纤维、化学纤维或它们的混合物组成的均匀柔软薄片；具有较高挺度的某些纸则叫做纸板。

用来零星制做模型火箭的主要是折叠盒纸板，它具有良好的耐划性和折叠性能；此外还有折叠盒白纸板和涂布折叠盒纸板，这两种纸板都有良好的印刷性能，并可以刷涂料。

纸板可以制做头锥、箭体筒段和尾翼，尤适宜于制做箭体筒段（纸管）。

纸适宜于用卷管机进行批量生产，常用的纸有铜版纸和牛皮纸。

（二）轻木

轻木是一种具备轻质量和高强度的木材，尽管其密度不是最低，但其强度却相当高，即具有较高的比强度（物质的强度与其密度之比，单位：

焦耳/千克）。

轻木有良好的加工性能。

因此，长期以来，轻木一直是制做模具（木模）的基本材料。

同样，轻木也是制作模型火箭尾翼和头锥的好材料。

国内用作模型火箭的轻木主要有泡桐、杉和红白松等。

商家通常将木料裁成不同厚度的板材供应。

（三）塑料

塑料是具有可塑性高分子的化合物。

工程上常用的塑料有热塑性和热固性两类，热塑性塑料具有遇热熔融、冷后变硬的特点，并且这一过程可以反复多次，因此很适合用来制做模型火箭。

ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）、聚氯乙烯、聚苯乙烯等都是热塑性塑料，商家有板材供应。

其中，ABS塑料具有良好的综合性能、容易加工、尺寸稳定，是制作模型火箭的常用材料。

而ABS板则是手工制作箭体筒段和尾翼的好材料。

（四）复合材料

最常用的复合材料是玻璃钢，它是以玻璃纤维或玻璃布浸渍环氧树脂缠绕或敷设而成的制品。

大尺寸的模型火箭常采用玻璃纤维或玻璃布浸渍环氧树脂缠绕而成。

另一种复合材料是碳纤维（布）/树脂，即以碳纤维或碳布浸渍树脂缠绕或敷设成的制品。

二、制作模型火箭的常用工具

工业上制做模型火箭有专用机器和工具。

对于手工制做模型火箭的爱好者来说，可以参照航空模型选用加工工具。

常用工具有：

工作台板、30模型刀、45模型刀、折断式壁纸刀、手锯、钢丝锯、什锦锉、微型台钻或手钻、直尺、圆规、砂纸、胶纸带、502胶、毛刷等。

上述工具可以根据需要选用。

第三节模型火箭结构和制作

图4.1所示为典型的模型火箭结构，它的特点是结构简单，而且飞行速度较快（相对于航空模型）。

因此制作模型火箭必须认真细致，火箭总体必须做到轴对称，表面光滑。

为此，模型火箭的各零部件必须精细加工，例如4片尾翼应做到形状、大小、厚薄一样，而且必须相对火箭轴线对称均布。

否则，火箭飞行轨迹会发生偏离。

另外火箭的质心位置应尽可能地靠前，以便使压心在质心的后面，保证火箭稳定飞行。

所以，对于头锥，可以选用密度大一点的材料；对于尾段和尾翼，则应选用密度小一些的材料，且厚度要尽可能地薄。

图4.1典型的模型火箭结构

一、箭体筒段

箭体筒段（筒体）是模型火箭的主要零件，它支撑、装载着模型火箭的其它零部件，其外径即模型火箭的直径。

通常使用铜版纸或纸板制做箭体筒段。

工业生产箭体筒段以纸为原料，用卷管机卷压成型，或螺旋卷绕，或平行卷绕；手工生产则多通过芯模将纸或纸板卷制成型（图4.2）。

此外，也可用轻木片卷压成型、用玻璃布或玻璃纤维缠绕/浸渍环氧树脂成型。

但目前市场上大量销售的箭体筒段多采用薄壁塑料管材，直径较大的箭体筒段则采用玻璃纤维/环氧树脂管。

图4.2纸管成型工艺

正式比赛用模型的箭体筒段常采用玻璃钢或碳纤维/树脂制品。

四凯模型火箭公司生产的箭体筒段外径有以下几个规格：

φ19、φ22、φ35、φ90毫米等。

二、头锥

工业生产头锥，通常采用塑料，以注塑或吹塑成型法制造，其尺寸精确，表面光洁。

手工制作头锥可采用轻木块车旋或削制而成，或以纸板制作。

用纸板制作，型面难以做到卵形，通常只能做成圆锥形。

头锥应有一段圆柱，圆柱外径略小于箭体内径，以便将头锥的圆柱插入箭体筒段的前端（参见图4.1）。

木制头锥应以砂纸打磨光滑，以利减小气动阻力和便于喷涂涂料。

三、尾段

尾段是用来安装发动机和尾翼的。

但手工制做模型火箭时，最好将尾段与箭体筒段做成一体。

尾段一般采用塑料，以注塑方法制造，但应设法使壁厚尽量减薄，以免尾段质量过大，使模型火箭质心后移。

工业生产的尾段可以做成船形，即其底部直径小于箭体筒段直径，这样有利于减小底部阻力。

四、尾翼

尾翼是用来稳定模型火箭飞行的，一般采用3或4片尾翼，且其中性平面应通过火箭轴线，并对称、均匀分布于尾段周围。

工业生产尾翼一般采用塑料压制或注塑成型。

手工制作尾翼可以采用轻木片、纸板或ABS塑料片，划线后用模型刀或壁纸刀切割，注意：

各尾翼大小、厚薄应一致。

由于希望模型火箭的质心在压心之前，因此要求尾翼尽可能轻。

而纸板的密度较低，但刚性小；轻木密度也低，刚性比纸板好，而且可以削制得很薄，气动阻力小，因此以轻木制做尾翼最佳。

木制尾翼应注意木纹方向与尾翼前缘平行，以便增加尾翼强度，延长使用寿命（图4.3）。

除纸尾翼和光滑塑料外，尾翼表面应以砂纸磨光，并使其前缘打磨成圆弧形，后缘打磨成刀口状（即机翼横剖面呈流线形），以利减小气动阻力，参见图4.4。

图4.3尾翼木纹方向图4.4尾翼剖面

五、发动机固定架

图4.5发动机固定架

发动机固定架的作用，是使安装在箭体筒段内的模型火箭发动机得以固定，确保模型火箭在发射、飞行和回收过程中，发动机不会脱离箭体。

由于常用模型火箭发动机的外形基本相同，而模型火箭直径各不相同，为便于更换发动机，所以需要采用发动机固定架。

固定架通常由套管、固定环和卡钩组成（图4.5）。

套管和固定环一般采用纸板制作，套管长度通常为发动机长度的70％左右，视发动机后端伸出套管的长度而定。

一般地，发动机安装后应露出10~20毫米，以便更换。

固定环的宽度应尽量小，以减轻其质量。

采用尾段的模型火箭，尾段本身就含有套管和固定环。

如果没有尾段，而箭体筒段内径大于18毫米，将套管（视情况带或不带固定环）以502胶固定在筒段后端，注意筒段端面与套管端面平齐。

如果筒段内径为18毫米，等于发动机名义外径，则可在筒段后段两尾翼间的侧面安上卡钩，发动机即可直接置于筒段内。

卡钩一般做成两端折成90°的小钩，钩长约4毫米，卡钩的两钩之间的长度等于发动机的长度加1~2毫米，参见图4.5。

六、导向管

导向管又叫做发射管，通常采用纸管制做，其尺寸见第三章第三节五小节。

粘接导向管时，一定要注意导向管与箭体平行；如果采用两个导向管，则一定要保证两个导向管位于同一直线上，粘接时可以用一根平直的导向杆定位。

这一点非常重要，否则，可能发生一个导向管套上了，另一个套不上；或者，虽然都套上了，但火箭在导向杆上运动时会因二导向管稍许错位而发生颤振，火箭出杆后会发生翻滚现象。

发射架的导向杆的平直度也至关重要，它也会影响火箭起飞和飞行的稳定性。

对于如图3.26所示的带有大直径载荷舱的模型火箭，其导向管不能直接粘接在箭体筒段上，在筒段与导向管之间应增加一个矩形支座，以便导向管内侧面与载荷舱外柱面相切，确保火箭在导向杆上自由运动。

如果采取导轨式发射架，则不需要导向管。

七、回收装置

常用的回收装置是降落伞，是用来使模型火箭缓慢降落的装置，以减轻火箭接触地面时的撞击力，延长火箭的使用寿命。

降落伞由伞布、伞绳和弹性绳组成。

一般的高度和留空模型采用塑料薄膜（如一次性餐桌布）制做伞布，按设计要求剪裁；然后以压敏胶纸粘接伞绳；最后按设计要求将伞绳与弹性绳连接在一起。

对于大型模型火箭，最好用薄丝绸或尼龙绸做伞布，伞绳与伞布以针线缝合牢靠。

剪裁降落伞伞布的方法如下：

取正方形伞料，以其对角线的交点为尖点，对折、再对折、┅┅，叠成8角、16角形；或者对折后，再3折，而后对折、再对折、┅，叠成6角、12角、24角形；以最短折叠边为半径，以尖点为圆心，用剪刀剪去边角，展开后就得到所需要的降落伞布。

伞绳采用不易打结的涤纶线绳，或以压敏胶纸粘贴，或以线缝（绸或尼龙伞），比赛用降落伞的伞绳最少为3根，多不限。

第四节模型火箭组装和装饰

一、模型火箭组装

（一）安装尾翼

如果有尾段，先将尾段粘502胶插入筒体后端；然后将尾翼插进尾段的翼槽中，注意：

尾翼后缘（或最后点）应在垂直火箭轴线的同一平面内。

最简单的校验办法是：

将火箭直立在工作台板上，用三角板的直角边检查，看它是否与台面垂直。

经过校正后，以502胶固定之。

如果没有尾段，则尾翼直接粘接于箭体筒段上。

为保证尾翼中性平面通过火箭轴线并均布于箭体周围，可采取以下方法粘接尾翼：

首先等分箭体筒段后段，已知筒段外径为2R，若3等分筒段，则以R量取；若4等分筒段，则以R量取。

或以下法等分筒段：

以一纸带卷于箭体筒段后段一周，在纸带未重叠的一段（其长度等于筒段周长）内，按尾翼数均分之（3等分或4等分）；然后再卷到箭体筒段后段上，在筒段上标上等分标记。

参见图4.6，在箭体筒段上划出粘接尾翼的（与筒段轴平行的）直线。

在工作台板上以圆规画若干同心圆，最小圆直径等于箭体筒段外径，按尾翼数，将圆分成3等分或4等分，通过圆心画等分线，并适当延长。

将箭体筒段立于工作台板上，使筒段与最小圆周重合，并且使筒段上的等分线与工作台板上的等分线相对应，将尾翼根部和后缘分别对准筒段和工作台板上的直线，以502胶在翼根处粘接尾翼（图4.7）。

如果尾翼为大后掠角，尾翼后缘超出筒段后端面，则应于筒段内套一圆柱体，使筒段后端面抬高到尾翼后缘超出的距离，然后如前法粘接尾翼。

为了加强尾翼的粘接强度，可于尾翼根部与筒段结合处涂一点快干胶，待干后，将其修整平滑。

为了减少筒段与尾翼间的气动干扰，在翼根与筒段接合处，充以填料，并打磨成光滑的圆弧状；或以截面呈圆弧形的长条（长度等于翼根弦长）粘贴于翼根与筒段接合处，参见图3.29。

图4.6在箭体筒段上划线图4.7在工作台板上安装尾翼

（二）安装回收装置和头锥

将降落伞上的弹性绳较短的一头系在头锥上；另一头贴在2.5×40毫米的医用胶布上，并用订书钉将弹性绳与胶布订在一起；然后将胶布贴到箭体筒段内壁面，胶布最外端距筒段端面约40毫米。

将降落伞按要求折叠（详见第六章第二节）后，置于箭体筒段内。

将头锥的圆柱段插入箭体筒段。

二、外表处理和装饰

虽然各零部件在制做时都进行了必要的打磨和清理，但在组装过程中难免会沾上灰尘和异物，在装饰前应该进行一次清理，必要时还要打磨。

如果发现在非分离部位有缝隙，应以填料涂抹后再磨光。

表面清理后，即可进行装饰，自制模型火箭一般需要喷涂涂料，如果有塑料件，不可使用硝基涂料，最好使用油漆。

颜色根据个人爱好选择或进行调配，但应做到美观大方，色泽协调。

底层最好喷涂白漆，如果漆干以后，色泽不匀，可适当打磨后再喷涂一层白漆。

待干后，喷涂色漆，如果以多种颜色组合，则应先涂浅色漆，而后涂深色漆；喷涂第二道漆时.应将第一道漆用纸包裹住。

每次涂漆，都应待上一次漆干以后进行，并视情况，确定要不要进行打磨。

有条件时，最好使用带喷枪的漆筒进行喷漆。

如果制作者有绘画才能，可以在白纸上绘制图案，贴在箭体适当位置，然后罩一层透明