一种固体火箭与水火箭集成的二级模型火箭

技术领域

本申请涉及航空模型火箭技术领域，特别是涉及一种固体火箭与水火箭集成的二级模型火箭。

背景技术

在过去的实验过程中，固体火箭药柱燃料火箭与水火箭模型的制作在众多航空航天类课程中被视作一项重要的实践项目，模型火箭技术不仅可用于劳作教学，还可应用于基础课程的教学，加深学生对基础课的理解，可以帮助学生学习和掌握空气动力学和飞行力学等方面的知识。

然而，传统的固体火箭发动机的点火是依靠人为进行遥控点火完成的，这种方法的优点是可行性高，操作简单，性价比高。但是该方法由操作人员手动操控在运用于二级分离的情况时对于分离时刻无法准确把握；另外依靠电动模块计时点火一方面需要设计复杂的电路，另一方面在与水火箭结合时容易因电控系统鲁棒性较低而导致短路等问题，并且由于手动注水后分离时刻并不一定固定，从而点火时刻依然存在偏差。

同时，传统的水火箭采用塑料瓶与胶带结合制作而成，具有制作简单、成本较低、效果较好等优点。但应用于本项目时水火箭瓶体势必在分离时与固体火箭喷出的火焰接触，塑料瓶会被烧毁而导致发射失败。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种固体火箭与水火箭集成的二级模型火箭，能够实现仅通过一种模型便能展示水火箭与固体火箭原理与性能的模型火箭，并通过设计的压力传感点火装置，准确把握最佳点火方式。

一种固体火箭与水火箭集成的二级模型火箭，包括水火箭箭体以及设在所述水火箭箭体下端的尾喷口，还包括固体火箭箭体、分离件以及压力传感点火装置；

所述固体火箭箭体与所述水火箭箭体为可拆卸连接，通过分离件进行组装及分离；

所述压力传感点火装置设在所述水火箭箭体上端，并与所述固体火箭箭体上的固体火箭药柱接触；

所述压力传感点火装置包括本体，所述本体上设有点火件及压力监测组件；

所述点火件朝向所述固体火箭箭体设置，并与所述固体火箭药柱接触；

所述压力监测组件朝向水火箭箭体设置，用以监测所述水火箭腔体内部压强变化。

其中一个实施例中，所述固体火箭箭体为空腔结构，其腔体下端套设有固体火箭发动机；

所述固体火箭发动机上设有通孔，所述固体火箭药柱设在所述通孔内。

其中一个实施例中，所述压力传感点火装置还包括：分离传动弹簧槽及牵引绳；

所述分离传动弹簧槽设置在所述本体上，槽内固定有第一弹簧，所述第一弹簧具有预紧状态与自然状态；

当所述第一弹簧为预紧状态时，所述牵引绳一端与所述压力监测组件连接，另一端与所述固体火箭箭体连接，所述点火件与所述固体火箭药柱端部接触；

当所述第一弹簧为自然状态时，所述牵引绳与所述压力监测组件分离，所述点火件产生电火花点燃所述固体火箭药柱。

其中一个实施例中，所述固体火箭发动机上设置有压缩杆，所述压缩杆数量与所述分离传动弹簧槽相对应；

在所述水火箭箭体与所述固体火箭发动机组合时，所述压缩杆进入所述分离传动弹簧槽并与所述第一弹簧抵接，给与所述第一弹簧预紧力；

在所述水火箭箭体与所述固体火箭发动机分离时，所述第一弹簧通过预紧力将所述压缩杆从所述分离传动弹簧槽中弹出，所述第一弹簧恢复自然状态。

其中一个实施例中，所述压力监测组件包括：压力腔、压力活塞及连接管；

所述压力活塞及所述连接管分别置于所述压力腔两侧；

所述压力活塞与所述压力腔为滑动密封配合；

所述连接管一端与所述压力腔连接，另一端与水火箭箭体相连，用于监测所述水火箭腔体内的压力变化。

其中一个实施例中，所述点火件包括壳体，所述壳体侧壁上设置有点火头负极；所述壳体端部设有点火头正极，当所述第一弹簧从预紧状态变化为自然状态时，所述点火头负极与所述点火头正极接触，所述点火件产生火花，点燃所述固体火箭药柱。

其中一个实施例中，所述壳体内设有导电活塞，所述壳体与所述导电活塞形成滑动密封配合；

所述导电活塞上固定有导体棒，所述导体棒上端固定有点火头正极及点火头；

点火头上设有连接绳，当所述第一弹簧从预紧状态变化为自然状态时，所述连接绳拉动所述导体棒向上移动，从而使所述导电活塞向上移动与所述点火头负极接触，从而形成电通路，所述点火头产生火花，点燃所述固体火箭药柱。

其中一个实施例中，所述分离件为套筒结构，其内径与所述固体火箭箭体外径及所述水火箭箭体外径相适应，从而将所述固体火箭箭体的下端与所述水火箭箭体的上端分别插入所述分离件的两端。

其中一个实施例中，所述水火箭箭体采用PLA材质制成。

相较于现有技术，本发明能提供的一种固体火箭与水火箭集成的二级模型火箭具有以下效果：

1.将固体火箭通过特定的方式连接到水火箭上，通过这种组合，能够综合展示水火箭与固体火箭的原理和性能，可以实现仅通过一种教具便能让学生了解两种不同的模型火箭，为跨学科教育项目的创新开发提供案例参考与经验借鉴；

2.通过压力传感点火装置，可以根据水火箭内部气压变化找到固体火箭的最佳点火时刻，实现固体火箭的自动点火；

3.水火箭箭体采用PLA材质，冲击韧性极好，耐磨、使用温度范围宽、尺寸稳定性好、电绝缘性优良、无毒性；通过采用该种材料，大大的保证了实验的可行性与安全性。

附图说明

图1为一个实施例提供的一种固体火箭与水火箭集成的二级模型火箭正视图；

图2为一个实施例提供的一种固体火箭与水火箭集成的二级模型火箭爆炸图；

图3为一个实施例中提供的压力传感点火装置正轴测图；

图4为一个实施例中提供的压力传感点火装置背轴测图；

图5为一个实施例中提供的压力传感点火装置剖面图；

图6为一个实施例提供的压力监测组件轴测图；

图7为一个实施例提供的点火件结构示意图；

附图标记说明：整流罩1；

固体火箭箭体2，固体火箭发动机21，固体火箭药柱22，固体火箭尾翼23，压缩杆24；

水火箭箭体3，尾喷口31，水火箭尾翼32；

分离件4；

压力传感点火装置5，本体51，分离传动弹簧槽512，牵引绳513，第一弹簧514，牵引绳孔516；

压力监测组件52，压力腔521，密封件522，压力杆523，第二弹簧524，连接管525，固定底座526；

点火件53，壳体531，点火头负极532，点火头正极533，点火头534，导电活塞535，导体棒536，连接绳537。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第 二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体地限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明设计了一款结合固体火箭药柱22与水火箭于一体的二级模型火箭。该模型可以将固体火箭药柱22火箭模型与水火箭模型结合为一枚火箭，综合展示了水火箭与固体火箭的原理和性能，可以实现仅通过一种模型便能了解两种不同的模型火箭。本发明针对模型火箭的研究现状，深入挖掘了模型火箭的实践价值，并基于传统模型火箭的特点与局限，设计的模型火箭结构简洁，安装方便，且易于维护和成本低，为跨学科教育项目的创新开发提供案例参考与经验借鉴。

在一个实施例中，如图1-图7所示，为本发明提供的一种固体火箭与水火箭集成的二级模型火箭结构，包括整流罩1、固体火箭箭体2、水火箭箭体3、尾喷口31、分离件4以及压力传感点火装置5。整流罩1为圆锥体结构，置于整个模型火箭的顶端，用于保持气动外形从而减小阻力。其下端与固体火箭箭体2上端采用拼插方式进行固定，以便于火箭到达最高点时整流罩1与固体火箭箭体2分离进而打开降落伞，也可以采用胶接、拼接等便于脱离的方式进行固定。固体火箭箭体2与水火箭箭体3为可拆卸连接，通过分离件4进行组合及分离。分离件4为套筒结构，内径与固体火箭箭体2的外径及水火箭箭体3的外径相适配，从而方便将固体火箭箭体2的下端与水火箭箭体3的上端分别插入分离件4的两端。分离件4的套筒两端可以采用卡扣、螺纹、卡槽、插拔等任一或者任二的组合方式，对固体火箭箭体2与水火箭箭体3进行组装。如图3中所示，本实施例的分离件4为一端开设有卡槽，另一端为插拔的结构，将设有卡槽的一端与固体火箭尾翼23对准后，将卡槽卡入固体火箭尾翼23即可，另一端直接插入水火箭箭体3。

压力传感点火装置5固定于水火箭箭体3的上端并部分或者完全置于水火箭箭体3的腔体内；其上方与固体火箭药柱22接触。

具体地，固体火箭箭体2与水火箭箭体3均为空腔结构，其中，固体火箭发动机21设在固体火箭箭体2腔体内并靠近下端位置，可以通过螺纹、插销或螺栓等方式固定。固体火箭发动机21上设有通孔，通孔内插入固体火箭药柱22，其一般采用胶水固定，也可以采用铁丝缠绕等方式实现更为牢固的固定。同时，在固体火箭箭体2的尾端对称设置有四片固体火箭尾翼23，在水火箭箭体3的尾端对称设置有四片水火箭尾翼32，用于保证固体火箭箭体2与水火箭箭体3升空后姿态的稳定性，尾翼可以通过胶粘方式固定在箭体尾端，也可以通过在固体火箭箭体2尾端或水火箭箭体3尾端开设槽口，尾翼通过插拔方式进行固定。

压力传感点火装置5为一个与水火箭箭体3结构相适应的圆柱体结构，为防止接触水后固定不够牢固，压力传感点火装置5通过螺纹连接的方式固定在水火箭箭体3上端，必要时可以加装密封圈，以达到保证气密性并牢固结合的效果。压力传感点火装置5包括本体51，在本体51上设有压力监测组件52、点火件53、分离传动弹簧槽512及牵引绳513。

本体51固定在水火箭箭体3上，压力监测组件52设置在朝向水火箭箭体3的一侧，点火件53设置在朝向固体火箭箭体2的一侧。压力监测组件52监测水火箭箭体3内的压力变化；当压力变化达到设定值时，通过点火件53点燃固体火箭箭体2上的固体火箭药柱22。若干分离传动弹簧槽512沿环形均匀分布设置在本体51内，为一端封闭一端开口的圆柱形空腔结构，开口朝向水火箭箭体3。空腔内固定有第一弹簧514，固体火箭箭体2上相对设置压缩杆24，压缩杆24的粗细与分离传动弹簧槽512开口相适应。当固体火箭箭体2与水火箭箭体3组合时，压缩杆24与分离传动弹簧槽512对齐，压缩杆24进入分离传动弹簧槽512中并压缩第一弹簧514，牵引绳513与压力监测组件52连接，点火件53与固体火箭箭体2的固体火箭药柱22端部相接触。当固体火箭箭体2与水火箭箭体3分离时，第一弹簧514将压缩杆24从分离传动弹簧槽512中弹出，牵引绳513与压力监测组件52分离，点火件53电路导通，产生电火花点燃固体火箭箭体2的固体火箭药柱22，自动完成点火。

压力监测组件52包括压力腔521、压力活塞、连接管525及固定底座526；压力活塞和连接管525设置在压力腔521的两侧，压力腔521通过固定底座526固定在本体51上，压力活塞与压力腔521为滑动密封配合，连接管525一端与压力腔521连接，另一端伸入水火箭箭体3内用于监测水火箭箭体3的气压变化。

具体地，压力腔521两侧分别贯穿设置有第一通孔和第二通孔。其中，第一通孔与连接管525的外壁尺寸相适应，便于将连接管525插入第一通孔，与压力腔521内腔相连接，为了保证气密性，在连接处增设气密胶圈。

压力活塞包括密封件522，压力杆523及第二弹簧524，密封件522设置在压力腔521内并与压力腔521为滑动密封配合，压力杆523一端固定在密封件522上，另一端从第二通孔中伸出，并在其端部附近套设牵引绳513。第二弹簧524的两端分别固定在密封件522和压力腔521上，当压力腔521内的气压改变时，第二弹簧524在预紧状态和自然状态之间转变，从而带动密封件522与压力杆523往返运动。

固定底座 526上相对第二通孔位置同样设置有第三通孔，压力杆523从第二通孔中伸出后，插入第三通孔，并与第三通孔为间隙配合。牵引绳513套设在压力杆523上并位于第二通孔与第三通孔之间。值得说明的是，在本体51上还设置有牵引绳孔516，牵引绳513一端套设在压力杆523，另一端穿过牵引绳孔516后与固体火箭箭体2相连接，这样可以进一步保证水火箭箭体3和固体火箭箭体2连接的稳定性。

连接管525一端与压力腔521内腔相连接，另一端插入水火箭箭体3内，在水火箭箭体3与压力腔521形成同等气压。工作时，初期水火箭箭体3中压力较大，压力腔521也存在较大气压，从而压缩密封件522，使第二弹簧524为预紧状态，压力杆523插入第三通孔；发射后，水火箭箭体3中的压力逐渐减小，压力腔521的气压也逐渐减小，第二弹簧524从预紧状态转变为自然状态，从而推动压缩密封件522朝向压力腔521运动，带动压力杆523脱离第三通孔，牵引绳513从压力杆523脱离。

点火件53设置在靠近固体火箭箭体2的一侧，同轴固定在本体51上，包括壳体531，壳体531的侧壁上设有点火头负极532，内部设有导电活塞535，导电活塞535与壳体531内壁为滑动密封配合，导电活塞535上固定有导体棒536，导体棒536上固定有点火头正极533及点火头534。连接绳537的一端与点火头534连接，另一端与固体火箭箭体2连接，当第一弹簧514从预紧状态向自然状态转变时，连接绳537拉动导体棒536向上移动，从而使导电活塞535与点火头负极532接触，进而使点火头负极532与点火头正极533形成电通路，点火头534产生电火花，点燃固体火箭箭体2的固体火箭药柱22，完成自动点火后与固体火箭箭体2分离。

在一个实施例中，尾喷口31通过螺纹连接的方式固定在水火箭箭体3下端，同时，为了保证气密性，可以在连接处加装气密胶圈。

在一个实施例中，水火箭箭体3采用PLA材质通过3D打印来制作，通过这种方式制成的箭体结构，性能优异，不仅冲击韧性极好，而且耐磨、使用温度范围宽、尺寸稳定性好、电绝缘性优良、无毒性。通过采用该种材料，大大的保证了实验的可行性与安全性。

在一个实施例中，本发明对一种固体火箭与水火箭集成的二级模型火箭如何演示进行说明。

步骤102，测算水火箭到达最高点时内部气压作为压力传感器点火装置的触发值。具体地，利用PLA材料打印水火箭箭体后单独制作水火箭，并在水火箭顶部安装压力传感器与高度仪，进行多次飞行试验。将测出的压力变化值与相对应的高度值绘制成曲线图，从而得出当水火箭到达最高点后水火箭内部的压力平均值，并将此值作为压力点火装置中压力传感器的设定值；当压力传感器测得水火箭内部为此值（即水火箭到达最高处）时通电从而点火。

步骤104，组装压力传感点火装置。将点火件53、压力监测组件52在本体51中固定好后在分离传动弹簧槽512安装第一弹簧514。

步骤106，完成火箭总装。将整流罩1、固体火箭箭体2、固体火箭尾翼23、固体火箭发动机21、固体火箭药柱22紧密结合，组装成为二级固体药柱火箭。将水火箭箭体3、水火箭尾翼32、尾喷口31、压力传感点火装置5紧密结合组装成为一级水火箭。

步骤108，牵引绳的栓接。首先将两根牵引绳套设在压力杆523后，再分别穿过压力传感点火装置5上的两个牵引绳孔516后与固体火箭发动机21栓接打死结，从而使得一级水火箭与二级固体火箭相连，固体火箭箭体2上的压缩杆24进入分离传动弹簧槽512中并压缩第一弹簧514。

步骤110，分离件4的安装。将分离件4上的四个卡槽对准四片固体火箭尾翼23插入后再将套筒下端插在一级水火箭外部，至此火箭整体总装完成。

步骤112，注水加压并作发射前准备。在发射前向水火箭箭体3内部注水后（大致在箭体容积的三分之一处）利用打气筒向水火箭箭体3内大气加压，当气压表显示箭体内部气压将近10个大气压时停止加压。此时压力监测组件52内部的第二弹簧524被压缩，压力传感器661感受到来自弹簧的弹力。排除安全员作为警戒，确保周围环境满足发射条件。

步骤114，开始飞行实验。打开水火箭发射架保险插销，按压发射握把，发射火箭。

步骤116，压力传感点火装置5点火。火箭持续上升，当水火箭内水流全部喷出后达到一级水火箭最大高度，箭体内部压强减小，压力监测组件52中的第二弹簧524弹力减小，带动压力活塞运动，牵引绳513从压力杆523上脱离，点火件53上的连接绳537感受到拉力，拉动导体棒536，从而带动导电活塞535运动，点火头正极533与点火头负极532形成电通路，点火头34产生电火花放出电火花引燃固体火箭药柱22。

步骤118，火箭分离。固体火箭药柱22喷出火焰迅速烧断牵引绳513及连接绳537，第一弹簧514不再受到束缚，由预紧状态转变为自然状态，一级水火箭受弹簧弹力向下运动，二级固体火箭受弹簧弹力和火箭发动机推力向上运动，摆脱分离件4束缚，实现二级分离。固体火箭继续上升。

步骤120，回收装置。二级固体火箭上升至最大高度后自动开伞，实现软着陆。落地后及时回收零部件，确保没有零部件丢失和损毁。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。