技術發(fā)明報告

1、第31屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽中學生技術發(fā)明報告說明：1. 本報告由申報人按各部分的要求填寫，與申報書一并提交。2. 報告各部分可附紙續(xù)寫，附紙上寫明相應各部分的標題號。項目名稱氣壓式噴水火箭申報者魯浩浩一本發(fā)明的目的氣壓式噴水火箭是寓教于樂、科技含量高,深受廣大青少年喜愛的動手、動腦的科普教材?？梢宰寣W生直觀了解導彈,運載火箭的發(fā)射升空,回收的過程,導彈的飛行與飛機的飛行原理及不同點。解釋牛頓第一、第二、第三定律(慣性、能量守恒定律、作用與反作用)了解一些基本的空氣動力學和飛行力學等方面知識。水火箭是一個利用質量比和氣壓作用而設計的玩具，同時是物理教學中著名的案例之一，可以培養(yǎng)學生對于物理學

2、習的興趣，而其中蘊含的物理原理是了解物理中力學的重要的基礎。也使廣大青少年了解航天科技，熱愛航天科技,為國家航天事業(yè)培養(yǎng)、造就、輸送優(yōu)秀人才。二調查目前別人已經做過什么目前利用氣壓式噴水反沖原理制作出的水火箭種類眾多，一般包括單級單推(一級火箭，一個推進器噴口)、單級多推(一級火箭，多個推進器噴口)和多級多推(多級火箭、多個推進器噴口)等，少有多級單推。由于單級多推一般為推進器(一個或幾個瓶串聯(lián)而成)"被動分離"且箭體與推進器同時發(fā)射，因此雖有推進器拋離效果但一般不視為多級水火箭。而多級多推水火箭采用推進器與箭體"主動分離"技術且為推進器箭體接替發(fā)射。水

3、火箭制作的技術趣點主要包括:噴嘴技術、主動分離技術和回收技術。一般來說，單級多推水火箭涉及推進器和箭體的推力差問題。由于是靠重力自然實現(xiàn)的"被動分離"，因此推進器的推力一定大于箭體推力，以保證水火箭升空時二者推力和最大且為一體，當推進器推力耗盡時，由于重力作用自然脫落。主箭體則繼續(xù)飛行。這種火箭的優(yōu)勢是，不涉及復雜的多級分離技術，同時擁有較大的推力，制作較為簡單。而要注意的是，箭體噴口直徑要小于推進器噴口直徑以實現(xiàn)推力差。多級多推水火箭。這種水火箭體型龐大，高度甚至可超過200米，目前已知的最高發(fā)射高度是國外水火箭愛好者于2010年10月30日創(chuàng)造的864英尺，約合263米

4、。雖然這種火箭的發(fā)射高度并不是十分高，但由于涉及"錯時噴射"技術、"主動分離"技術和箭體及推進器的"分級回收"技術，因而更具有挑戰(zhàn)性、更受到水火箭發(fā)燒友的青睞。國外的主動分離技術樣式不一，但基本原理一致。利用推進器推力耗盡時的重力和預埋分離器中的彈簧彈力以及分離開始時第二級箭體噴射推力，快速實現(xiàn)一二級主動分離。推進器部分進入下落階段打開降落傘、而第二級繼續(xù)上升直到推力耗盡下落打開第二級降落傘。若有第三級，則依次推進。三創(chuàng)意設想和方案氣壓式噴水火箭的的基本原理是反沖原理。要使一個物體從靜止開始運動，必須有力作用在物體上，并且作用一定時間

5、T。力F和時間T的乘積FT叫做力的沖量。要使水火箭發(fā)射，就必須有沖量作用在水火箭上。這種沖量就是由水火箭內空氣瞬間膨脹對水做功形成反沖。 現(xiàn)實生活中，我們經常會看到這樣的現(xiàn)象，一個充足氣的氣球拿在手上，突然放手時，氣體從氣球中噴出來，這時氣球就向相反方向飛出。這種運動遵循動量守恒定律。物理學上稱作反沖。m水v水=m箭v箭。理論上水量越多，可以使水火箭獲得更大的沖量。 水火箭飛行所能達到的最大速度，也就是動力系統(tǒng)所提供的動力全部用完時的最終速度，主要取決于兩個條件，一個是噴水速度，二是質量比（火箭開始飛行時的質量與動力耗盡時的質量之比）。噴氣速度越大最終速度越大，了解這樣原理之后就可以制作水火箭

6、了。根據(jù)上述原理，可以很容易進行操作，操作過程中要注意以下幾點：水火箭要有基本的火箭外形，如箭頭、箭身、尾翼、動力系統(tǒng)；箭頭要做成標準的圓錐狀，且在安裝時注意不能裝歪，否則影響飛行方向；箭身平滑，減小空氣阻力；尾翼大小適中，且等距分布；動力系統(tǒng)能提供一定能量。（動力系統(tǒng)：向瓶中裝入約1/3體積的水，用裝上進氣系統(tǒng)的橡皮塞封口，通過向瓶內打氣，使動力系統(tǒng)獲得能量）。以上做法是歷年來水火箭的基本做法。 這種方法做出的水火箭一般飛行高度在30m以下，時間7s以下，絕大多數(shù)在3s-7s之內，而我們的水火箭飛的高度最高達80m，時間為12s，其有三大原因。 1.可以發(fā)現(xiàn)，有些水火箭似乎獲得了很大的沖量，

7、但飛得不高。有兩個原因，一是因為重心在火箭下部，當重心在火箭下部時，由于空氣阻力的作用，會使火箭升空后翻騰，對飛行高度有很大影響。二是因為火箭的質量太輕。從理論上來說，火箭的質量是越小越好，但是由于空氣阻力的影響，并不是質量越小越好，這點將在第三點說明。2. 水火箭動力系統(tǒng)中最重要的是橡皮塞，大多使用的都是實驗室提供的4號塞子，因為4號塞子大小正好，符合可口可樂飲料瓶口，但是當把自行車氣嘴裝上后，4號塞子會被撐大，并不能很好地符合瓶口大小。而且最大一個缺點是4號塞子兩端粗細相差較大，而瓶口是均勻的圓柱狀。圓錐狀的4號塞子與瓶口不能很好的切合，使得塞子很容易被氣壓頂開，不能使水火箭獲得較大能量。

8、我們經過研究后發(fā)現(xiàn)，使用比4號更小一點的塞子可以彌補這些缺點，我們把它稱為3號塞子。3號塞子接近圓柱狀，且裝上進氣氣嘴后，大小與瓶口切合很好。而且再加上用螺絲帽將橡皮塞兩端壓縮，加大塞子與瓶口的摩擦力。這樣只有高氣壓才能將其頂開，使火箭獲得更大的沖量。3. 這樣使火箭有很大的沖量后，火箭的自身質量不能太小。因為自身質量太小的話，受到空氣阻力的影響就會增大。所以要在火箭頭加適當配重物，配重物的質量由火箭各項性能決定。最好用密度較大的小體積物體作配重物。若要給火箭加外殼，需要減小配重物質量以抵消外殼質量。許多前人通過試驗得知，水量加到1/3體積時最合適。但是對于具有較大沖量的火箭來說，1/3體積的

9、水是不夠的，水多并不意味著火箭的質量會變大，而是會減少瓶內所能容納空氣的體積，這樣會導致高壓氣體做功能力減弱，因此，水量也不能太多。經過理論指導與我們的多次試驗，發(fā)現(xiàn)把水量加到接近1/5體積時效果最佳。通過這三個創(chuàng)新方法，可以大大提高水火箭高度.四分析完成發(fā)明設計的一些限制條件氣壓式噴水水火箭的飛行時間和飛行射程主要受到材料的影響, 水火箭的飛行時間和飛行射程主要受到材料的影響; 水火箭都是依靠爆射瞬間所獲得的慣性，從而瞬間從發(fā)射架上飛出。由此可得， 水火箭的射程與慣性大小有關。 水火箭在飛行中一定會受到力的作用，當然，因為慣性，在飛行中水火箭并沒有 受到推力的作用，只受到了阻礙它飛行的力:空

10、氣阻力與重力。沒有重力，水火 箭就可以遲遲不會落下，從而使水火箭飛得更遠，按理說，水火箭的質量輕，它 受到的重力也就越輕，飛得也就遠了。然而，水火箭的動力來源:水的重量卻一 定是會比水火箭身重，不然飛不起來。而且影響慣性大小的唯一因素就是質量了， 質量越大，慣性越大。于是，重力的大小影響是很難改變的，當重力改變時，總 會有另一個因素的影響與它抗衡。所以，可以不用考慮重力帶來的影響，影響水 火箭射程最大的，還是空氣阻力。由此可得，水火箭的射程與空氣阻力有重大關 系。 當然，這些問題都涉及到了一個因素:水火箭的材質。 只有材質才能一個個解決這些棘手的問題，但是，如果控制不當，不僅不能解決 這些問題

11、，反而會使水火箭的性能降低。所以，材料的種種方面都要經過檢測， 如體積，如長度，如堅固 當然，不同種類的水火箭所需的材料不同。五發(fā)明設計方案的選擇和測試我們選擇制作長翼水火箭. 一、長翼水火箭是相比短翼水火箭較難制作的一種水火箭。它有長翼，長翼的材質要 求我個人認為很苛刻。一般來說，任何水火箭都是三翼的比較好，四翼的有是反 而會造成空氣阻力增大、中心改變等等問題。長翼水火箭的長翼，最主要的功能 還是減少空氣阻力，使水火箭長時間的才空中飄行，從而增長飛行距離。當然， 長翼水火箭能在順風時發(fā)出它的最大優(yōu)勢，然而在逆風或偏風時，長翼水火箭根 本無用武之地，它是最受風的影響了。所以，長翼的穩(wěn)定性要好。

12、但是經過檢測， 發(fā)現(xiàn)長翼最好還是用半厚塑料或塑料泡沫等較輕的材質。二、長翼水火箭的水火箭身可以用大中號瓶子，當然，中號更好一些。塑料瓶最好有 理想流線身，當然，這比較難找，所以也可用一般的瓶子代替。 三、發(fā)射架也是與水火箭的射程有極大的關系，發(fā)射架的角度，摩擦力，固定等等都直接影響到了水火箭的發(fā)射效果。發(fā)射角度，許多人根據(jù)所學知識或是想當然或是直覺會認為是45 度，但是通過研究顯示，45 度似乎并不是最遠的，應該是50 度左右最好。四、其余部件 其余部件很雜，是因為不同的水火箭需要不同的部件。五、水的體積，因為水多會使水火箭變重，使水火箭受到的重力增大，容易掉落。少 則為因為沒有噴發(fā)物而缺少動力，所以，水量又要控制牢。不是1/2，不是1/3 而是1/5 左右。當然，1/5 也不是最準確的，不同的水火箭可以用不同的水量， 旋轉水火箭水量可以多些，我們認為長翼水火箭用1/5 比較準確。六、氣壓程度，因為