實驗火箭原理與設計國立成功大學航空太空研究所景 鴻 鑫 目錄 壹、實驗火箭簡介 貳、空氣動力學 參、火箭推進 肆、火箭穩定 伍、實驗火箭設計 壹、實驗火箭簡介 1. 何謂實驗火箭？ 所謂實驗火箭，指的是為教育、學術或休閒等用途，使用紙、木頭、塑膠等普通材料，以及安全藥柱，依據火箭工程學理設計，並附回收系統，其飛行高度在視力所能及之範圍內的小型火箭設計過程包括外型（氣動力）設計與修改、藥柱選用、回收系統設計等製作上包括鼻錐、箭身、安定片、回收糸統及組合、配重、塗裝等程序依個人構想及材料不同，可有各種變化 2. 實驗火箭的構造 實驗火箭可分為鼻錐、箭身、安定片、藥柱、回收系統等五大部份，以及相關之酬載、發射導管、阻燃層、藥柱固定裝置， 與發射系統等附屬設備 鼻錐：實驗火箭最前端的部份，提供火箭飛行方 向，與降低飛行阻力之用，形狀以流線形為 最佳 箭身：火箭的主體部份，提供相關設備如酬載、回 收糸統、藥柱等空間 安定片：主要功能為提供火箭飛行方向與保持穩定 之用。
藥柱：火箭飛行之動力來源，提供安全、穩定之推 力，與釋放回收系統之逆推力 回收系統：實驗火箭首重安全，火箭必須安全回收 ，通常加裝降落傘，降低下降速度，以 免箭身損毀或造成傷害 3. 實驗火箭的運作 電子點火 發射升空 動力飛行 推進劑燒盡 無動力慣性飛行 回收裝置釋出 降落傘打開 安全落地 貳、空氣動力學 研究物體穿過空氣時，空氣之流動，以及作用在 該物體上之力量的學問 質量 （慣性） 壓力 （靜壓、動壓） 伯努利方程式 常數 靜壓 動壓 空氣阻力 空氣阻力 ＝ 壓力阻力＋摩擦阻力 壓力阻力：迎風面與背風面之壓力差 與迎風面積有關 與形狀有關 摩擦阻力：流體之黏滯性造成之阻力 空氣阻力 ＝ 壓力阻力＋摩擦阻力 尾流：物體背後流體所佔空間 尾流越小，空氣阻力越小 尾流 光滑表面，尾流大 粗糙表面，尾流小 空氣阻力 D = D（速度、密度、迎風面積、形狀、 表面粗糙度、空氣黏滯性、、、） = 阻力係數 參、火箭推進 推力 其中 噴嘴出口速度噴嘴出口壓力外界壓力噴嘴出口面積 衝量 比衝 ：燃料重 藥柱 構造 性能 肆、火箭的穩定1.火箭的飛行環境2. 3. 引擎推力4. 地球重力5. 空氣阻力重心壓力重心 2.火箭的運動3. 平移4. 旋轉 旋轉 3. 穩定性 穩定平衡 不穩定平衡 中性平衡 4. 火箭的靜態穩定 5. 火箭的動態穩定穩定火箭短而輕穩定火箭長而重中性穩定火箭不穩定火箭 6. 火箭的穩定性穩定中性穩定不穩定 伍、實驗火箭設計 調整火箭的形狀與質量分佈，以便得出能產生所需性能的 設計參數。
設計目標：高度 設計程序：1. 定出模型火箭的尺寸，選擇材料 2. 計算壓力中心與重心的位置 3. 驗算穩定性，即壓力中心需位於重心後1至2個 箭身口徑，如果不是，回到1 4. 估算風阻係數 5. 計算阻力係數 6. 計算燒盡速度與高度 7. 計算自由飛行高度 8. 計算模型火箭所能達到之高度，如不符合需 求，回到1 1. 壓力中心計算保羅曼法 鼻錐：如圖所示 圖錐形 尖拱形 抛物線形 橢圖形 圓錐漸變段： 箭翼： 3片 4片 壓力中心位置：從鼻錐到壓力中心距離 X : 從鼻錐到壓力中心距離 2. 風阻係數與阻力參數之計算達康法 阻力係數： 其中 空氣密度 風阻係數 參考面積，箭身截面積 風阻係數其中所有箭翼之平面面積最大箭身截面積箭翼之風阻係數箭身之風阻係數發射套管之風阻係數 為安定片之風阻係數其中 安定片之表皮摩擦係數安定片厚度安定片平均弦長 為箭身之風阻係數 其中 前箭身之風阻係數 箭身之表皮摩擦係數 其中 圓錐形尖拱形抛物線形橢圓形 基本阻力係數 發射套管之風阻係數 3. 高度計算 卡波拉索-邊根法動力飛行之運動方程式燒盡時速度燒盡時高度 其中藥柱之總衝量燃燒時間平均推力阻力係數 自由飛行之運動方程式其中 燒盡時質量自由飛行高度 燒盡時速度 總高度 成大實驗火箭活動宗旨 : 培養解決問題的能力 !謝謝大家 !!! 。