几种特殊的模型火箭

第八章 几种特殊的模型火箭

所谓特殊的模型火箭，是相对于一般单级高度模型或留空模型火箭(这里我们

统称之为一般单级模型火箭)而言的，其中包括多级模型火箭、捆绑模型火箭、仿

真模型火箭，以及载荷模火箭等。除此之外，还有火箭和(火箭)助推/滑翔机留空模

型，以及自转旋翼留空模型和柔性翼留空模型。本章只介绍前4种模型。

第一节 多级模型火箭

一、多级火箭推进原理*

在第二章中，我们已经知道，单级火箭所能达到的速度增量取决于其火箭发

动机的有效排气速度和火箭的起飞质量与发动机熄火时的质量之比。为了提高火

箭的速度，就要增加火箭发动机的数量，一种办法是将两个或两个以上的发动机

串联起来，组成多级火箭。当第1级发动机熄火后，随即将其抛掉（分离），第2

级发动机立即点火，接着工作，……这样，就能有效地提高火箭的最终飞行速度。

因为第1级发动机熄火后，火箭的速度增量等于第1级发动机的有效排气速度乘

上火箭起飞质量与第1级发动机熄火时火箭质量之比的自然对数；当火箭将已熄

火的第1级发动机抛掉后，第2级发动机开始工作时的火箭质量减小了，当第2

级发动机熄火时，火箭的速度就等于火箭第1级发动机熄火时的速度增量加上第2

级发动机熄火时的速度增量，而第2级发动机熄火时的火箭速度增量等于第2级

发动机的有效排气速度乘上第2级发动机点火时火箭的质量与第2级发动机熄火

时火箭质量之比的自然对数；…第3级火箭熄火时的火箭速度等于第1级发动机

熄火时的速度增量加上第2级发动机熄火时的速度增量，再加上第3级发动机熄

火时的速度增量；以此类推。

与运载火箭一样，采用两个（组）或两

个（组）以上的模型火箭发动机串联组成的

模型火箭叫做多级模型火箭。不论有多少发

动机，只要它们同时点火、同时分离，它们就

是同一级。多级模型火箭的飞行速度比单级模

型火箭的速度要大得多，它的射程也比单级模

型火箭高得多。

二、多级模型火箭概念

为了解释多级模型火箭的几个基本概

念，我们以3级模型火箭为例来加以说明。如

图8.1所示，最下面的一级发动机（一个或多

个）及其外壳叫做第1级火箭，中间的发动机

（一个或多个）及其外壳叫做第2级火箭，最

上面的一级发动机（一个或多个）叫做第3级火箭；通常第1级又叫做下面级，第2、3级

也叫做上面级。整个3级模型火箭就叫做子火箭1或1号子火箭；第2级以上（包

括第2级）部分叫做子火箭2或2号子火箭；第3级以上（包括第3级）部分叫

图8.1 3级模型火箭

做子火箭3或3号子火箭。

三、多级模型火箭技术

制作多级模型火箭比单级模型火箭要复杂些。首先需要解决多个串联的模型火箭发动机的依次点火问题；其次是确定具体的方案和结构设计。下面我们以3级模型火箭为例进行说明。

(一) 多级模型火箭发动机点火问题

多级模型火箭的第1级发动机的点火方式，与单级模型火箭一样。但是，第2级、第3级发动机的点火就不能采用单级的点火方式了，因为它们需要在空中点火。第2级发动机只能在第1级发动机工作完毕时，依靠其燃气来点燃。同样，第3级发动机需依靠第2级发动机工作完毕时的燃气来点燃。

第1级和第2级发动机由于没有开伞的要求，同时却有点燃第2级和第3级发动机的功能，因此发动机的组成应有所变化。取消弹射剂和延时剂，使其满足后面的发动机点火要求；并能反向推动，使之与箭体分离。

最后一级发动机要保证开伞，所以需要保留弹射剂和延时剂；同时，由于多级发动机工作的结果，使得模型火箭的末速度大为提高，火箭的惯性飞行时间延长，为了满足火箭飞行轨迹的要求，需要增加延时剂的用量。

(二)多级模型火箭的方案和结构设计

多级模型火箭与多级运载火箭不同的是，前者都在大气层中飞行，而后者除第1级外，其余都在大气层外飞行。所以，多级模型火箭的各子火箭在飞行过程中都必须保持气动稳定。为此，每一子火箭都必须有稳定尾翼，也就是说，每一级火箭都必须有稳定尾翼，并且要求各子火箭的压心位于其质心之后，且二者的距离应不小于箭体直径，根据这些要求来确定各级稳定尾翼的面积。由于1号子火箭的质心最为靠后，所以第1级火箭的稳定尾翼面积应该最大，以满足模型火箭的气动稳定性，即保证模型火箭的压心位于质心之后。2、3号子火箭的质心依次相对靠前，所以第2级、第3级火箭的稳定尾翼面积可依次减小。另外，模型火箭的长径比应尽可能取得大一点。

由于多级模型火箭在第1级和第2级发动机工作期间，总的稳定尾翼面积较大，在飞行过程中，其飞行轨迹受侧风的影响较大，所以设计时应适当增大修正系数，发射时应注意迎风倾角。再者，除保证每级的尾翼均布、对称外，还必须注意各级的尾翼的相互位置，确保各对应尾翼在同一平面内，以防气流干扰。

再者，多级模型火箭在飞行过程中，为了减少重力损失，同时也是为了下一级发动机工作，所以除最后一级外，每当一级发动机熄火后就要及时地将其抛掉。因此，在箭体结构设计和制作时，必须考虑到级与级之间的分离。

根据《FAI 运动规则，4d部分，航天模型》规定，模型火箭不得在飞行过程中抛出发动机，除非这些发动机包含在一个箭体内，但必须按要求（即有回收装置）降落。显然，如果每级回收都要有回收装置，制作比较困难。因此《FAI 运动规则，4d部分，航天模型》又规定，多级模型火箭的下面级可以采取翻转回收(tumble recovery)，也就是说，允许没有回收装置，但需符合以下条件：

1) 下面级有3个以上的尾翼;

2) 长度不大于发动机长度的1.5倍;

3) 场地安全指挥员认为下降是安全的。

不过，为了安全起见，在人多的非比赛场合，最好不要玩多级模型火箭。