“火箭模型”与真实火箭的不同之处
火箭模型对学生来说是一个较安全与不昂贵的方法来学习力学原理与火箭受到外力时的反应。学生也可以从中学到一些关於火箭的原理与性能。我们来比较真实火箭与火箭模型这两者的相同与不同之处:
为了避免混淆,以下的“真实火箭”指一般运送人或物品进入太空中的运载火箭;而“火箭模型”则指的是模型实验小火箭。
火箭模型在飞行时受到四种力:重力,推力,升力与阻力。同样的,火箭在大气中飞行时也是受到这四种力的影响。但当火箭飞离大气层后,因空气作用而產生的空气作用力(指升力与阻力)的影响就转弱了。空气作用力的强弱受空气密度的影响,而空气密度随著高度递减,在大气层外缘的时候趋近於零。对火箭模型来说,整个飞行过程皆处於低层的大气裡,空气作用力(指升力与阻力)成為影响火箭模型飞行的重要关键。
在动力飞行的阶段火箭与火箭模型都需要靠推进系统飞行。火箭模型有各种各样的小型固体火箭引擎可使用。也有些大型业余火箭模型是用液体引擎或是混合式引擎,但这是给较有资历与经验的业余火箭制造者,在这里不会讨论。火箭则有可能使用固体或液体引擎。通常在火箭飞行的第一分钟使用“捆绑“在火箭上的固体引擎,而在接下来的飞行过程以及第二节火箭上使用液体引擎。对火箭模型来说,燃料只占了整体重量的一小部份(通常是10-15%)。对火箭来说,燃料则占了整体重量的大半部分(通常是80-85%)。会有这样差异的原因之一,就是火箭模型引擎工作的时间非常短暂,通常不会超过两秒钟。真实火箭的引擎可能要燃烧十分鐘以便进入地球轨道。
飞行的过程中火箭模型与真实火箭都需要一些系统来维持稳定与控制火箭。稳定指的是:如果飞行时受到一些干扰,火箭能够回到先前的飞行路径而不至於乱飞。控制指的是火箭飞行时的操纵能力。火箭模型与真实火箭在大气中都是设计在“被动”稳定的状态。“被动”在这里是要表示,火箭不需要调整任何的控制舵面就会自行回到飞行路径上。当火箭的重心位置在风压中心之前火箭便处於稳定的状况。火箭模型并没有控制系统。当火箭离开发射架后就不受控制。你看到火箭飞但你没有办法控制它。因为作用在安定片上的空气作用力,火箭会朝着风来的方向飞行,称为“风向鸡效应“(又称为追风性)。真实的火箭使用复杂的方来来进行飞行控制。早期的V2在飞行时火箭喷嘴有个小翼用来使推力转向。大多数的火箭使用称为 engine gimbals 的系统来使整个喷嘴转动。真实火箭用复杂的仪器,电脑,高速机构来进行机动控制。
相对真实火箭的飞行速度,火箭模型以一个低速度飞行(时速小於250英里),因此不需要担心空气动力的热效应。火箭模型的制造材料也不昂贵,如巴沙木,卡纸或塑胶。真实火箭以非常快的速度飞行(时速大於10,000英里),因此空气动力的热效应是个大问题。真实火箭上使用的材料通常特殊或昂贵,如钛或镍的合金。在一些真实火箭上,如太空梭的外部燃料箱,金属表面上就涂上了特殊的绝缘材料来防止空气动力的高热所造成的危害。所以外部燃料箱的颜色是橘色就是这个原因。
火箭模型对学生来说是一个较安全与不昂贵的方法来学习力学原理与火箭受到外力时的反应。最早由牛顿的三大运动定律描述了力的作用。力是具有大小与方向的向量。
当考虑作用力时,必须同时考虑力的方向与大小。如同飞机一样,火箭模型在飞行时受到四种力:重力,推力,阻力,升力。但这些作用力,在有动力的飞机与火箭上的时候还是有些不同:
1. 在飞机上,升力(与飞行方向垂直的空气作用力)用来克服飞机的重力。
在模型火箭上,则是用推力来克服火箭的重力。升力反而用来稳定与控制火箭的飞行方向。
2. 在飞机上,大部分的空气作用力由主翼与尾翼翼面产生。
在火箭模型上,空气作用力由安定片,鼻锥,与箭身产生。不管是飞机或火箭,空气作用力皆作用在风压中心上。
3. 当大部分的飞机有着高的升阻比,在火箭上阻力却往往比升力大的多。
4. 对飞机来说,各种力的大小与方向通常维持几乎不变,通常火箭上的作用力在飞行过程中,大小与方向却常常有戏剧性的变化。
有不同的文章来介绍火箭上在各个阶段:发射,动力飞行,惯性飞行(上升与下降),以及降落伞回收时的作用力。如同任何飞行的物体,模型火箭飞行时也以重心(重量的平均位置)为旋转中心。决定模型火箭的重心比决定飞机的重心来的容易。因为火箭模型的零件较少,并且火箭模型的外型也比飞机来的简单。
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