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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
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