“超級”水火箭的制作

(浙江省德清縣第一中學,浙江 湖州 313200)

1 引言

在中國航天事業發展迅猛的背景下，許多學校在物理課外活動中會開展水火箭的制作活動。在教師的指導下，學生動手制作和發射水火箭，既能將物理知識應用于實踐，又能培養學生實驗動手能力，還激發了學生對科學的熱情。縱觀已有的一些實踐制作，筆者發現其中存在著一些問題，主要表現在以下幾個方面:

(1) 水火箭很多都是使用橡膠塞發射，發射時機不可控，實驗中存在安全隱患。

圖1

(2) 水火箭樣式單一，往往都是只用一個可樂瓶作為水火箭主體，水火箭發射高度比較低，觀賞性較差。

(3) 水火箭發射后沒有回收手段，直接掉在地面上后無法再次使用。

(4) 水火箭的飛行時間往往只有短短的幾秒時間，學生觀察起來比較困難。

針對以上問題，筆者對水火箭的制作、發射、回收、觀測等各個階段進行了一系列的改進和創新，向學生展現了用水火箭模擬真實火箭發射的震撼場景，提高了水火箭的性能和安全性。

2 “超級”水火箭的結構和特點

如圖1所示，“超級”水火箭由4個1.25L和2個650mL的飲料瓶制作而成，配套水火箭發射器、降落傘遙控釋放系統和水火箭觀測系統，它具有以下顯著特點。

2.1 發射安全、可控

常規的水火箭使用橡膠塞發射，只有當瓶內的氣壓達到能夠將橡膠塞擠出瓶口時，才會將水火箭發射出去。若塞子塞得過緊，會出現瓶內氣壓超過瓶子所能承受的壓力、膠塞沒有沖出瓶口的情況，水火箭會發生爆炸，帶來安全隱患。另外，這種發射裝置無法預知水火箭與橡膠塞脫離的時刻，發射的可控性較差。

筆者對此進行了改進，如圖2所示，采用定制的接口和發射器，用剎車線和剎車把控制水火箭的發射。如圖3所示，在進氣管處安裝氣壓計，能夠實時觀察瓶內氣壓，并把所有的器件安裝在自制發射架上。

2.2 可實現水火箭箭身的隨意組合

水火箭的發射高度與箭身瓶內水的體積有關，用單個瓶子制作的水火箭樣式單一，水火箭發射高度有限。若能將多個瓶子串接在一起，可以提高火箭的升空高度，使制作的水火箭仿真度得到提高。

利用空心螺栓將兩個瓶子連接起來(圖4),采用與瓶口螺紋相符的直通接頭(圖5)，可將水火箭的箭身隨意組合，增加水火箭的長度，提高水火箭的發射高度。

2.3 巧妙實現一、二級火箭自動分離

圖6為自制水火箭的二級分離器，該裝置巧妙利用了水火箭發射后一、二級瓶內壓強的變化，實現一、二級水火箭的自動分離。

使用二級分離器將一、二兩級水火箭連接(圖7)，在水火箭充氣的過程中，分離器內的單向閥門開啟，給一級水火箭充氣的同時也可對二級水火箭充氣，而且使上下兩級內的壓強差幾乎為零，橡膠管緊緊套住有機玻璃管，使一、二級水火箭緊密連接、不分離。在水火箭升空過程中，當一級火箭中的水全部排空后，其內氣壓迅速下降，而此時單向閥門關閉，二級水火箭瓶內的氣壓不變，在二級水火箭內較高氣壓的作用下，橡膠管膨脹，一、二級水火箭分離。二級水火箭的水噴出，繼續向上二次加速，從而使水火箭的發射高度進一步提高(極限充氣時可接近100米)。

2.4 水火箭回收可靠

為了確保實驗裝置的重復使用和安全性，在每級火箭上都安裝了用綢布制作的降落傘。一級水火箭的降落傘安裝在一、二級水火箭的連接處，當一、二級水火箭分離時，自動帶出一級水火箭降落傘。如圖8所示，二級水火箭降落傘安裝在火箭頭部的特制彈射傘艙內，它的釋放采用了可靠的遙控方式，即當水火箭達到最高點后，地面遙控打開傘艙，降落傘自動彈出，順利打開降落傘，實現水火箭的安全著陸。

圖8

2.5 水火箭發射場景震撼

本實驗裝置實現了火箭發射的全模擬，場景震撼，筆者運用多種方式對火箭發射進行全程攝像，分為地面遠處追蹤攝像、發射瞬間高速攝像、箭載攝像機攝像三個方面。

水火箭發射時火箭加速時間極短，很難看清發射瞬間升空的情景。發射瞬間的高速攝影是利用了手機的“慢動作”攝像功能，以每秒240幀的速度攝像，播放時以每秒10幀播放，通過錄像可以清晰觀察到水火箭起飛時的情景(圖9)。

圖9

箭載攝像機安裝在二級火箭的隨箭設備艙內，利用箭載攝像機，從水火箭的視角觀察發射情景(圖10)和降落傘打開的情況(圖11)，這種情景以往只能在真實火箭的發射的過程中才能看到，極大調動了學生的興趣。