基本信息
- 項目名稱：
- 水火箭飛行狀態(tài)的探究
- 小類：
- 數(shù)理
- 大類：
- 自然科學類學術(shù)論文
- 簡介：
- 本課題是對水火箭飛行狀態(tài)的理論分析和試驗驗證。盡量考慮各種因素的影響（包括空氣阻力、箭體內(nèi)部氣壓變化、單級火箭、多級火箭等情況）利用數(shù)學工具較準確的求解火箭的在各個時刻的飛行狀態(tài)。并通過實體制作出單級、多級火箭并發(fā)射以試驗驗證理論的正確性。
- 詳細介紹：
- 水火箭的動力來自于火箭體內(nèi)的壓縮空氣，通過高壓不斷把火箭體內(nèi)的水向外噴出，火箭獲得反方向的推力，在推力、重力及空氣阻力的合力作用下向前飛行。本課題主要研究水火箭飛行狀態(tài)的理論分析和試驗驗證。內(nèi)容如下：飛行狀態(tài)數(shù)學模型建立；水火箭制作研究；應(yīng)用MATLAB求解微分方程；試驗論證、模型修正。 由于工作量較大，我們把工作分為三步:一，首先只考慮空氣阻力的影響求解單級火箭的動力學方程，并設(shè)計方案較準確的測出火箭的空氣阻力系數(shù)，然后試射驗證理論；二，在第一步的基礎(chǔ)上再考慮氣壓變化這一因素，完善火箭飛行狀態(tài)的動力學方程，同時設(shè)計制作出飛行性能更加穩(wěn)定的較大的單級火箭以備制作二級火箭，并進一步較準確的測出空去阻力系數(shù)；三，在前兩步基礎(chǔ)上求解多級火箭飛行狀態(tài)的動力學方程同時設(shè)計制作出二級火箭，并加入傳感器準確的記錄火箭飛行時間、箭體內(nèi)部氣壓變化過程等重要數(shù)據(jù)，較精確的分析火箭的飛行狀態(tài)。 在以上工作中主要有以下難點：空氣阻力系數(shù)的測定、多級火箭的制作）、一二級火箭分離控制器的設(shè)計、以及最終的動力學方程的求解，同時還有發(fā)射裝置的設(shè)計。其中空氣阻力系數(shù)的測定和數(shù)學方程的求解已基本達到要求，多級火箭的設(shè)計、發(fā)射裝置等工作也已經(jīng)基本完成！ 我們相信剩下的工作也會順利完成！
作品圖片
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 撰寫目的：目前在國內(nèi)我們還未發(fā)現(xiàn)有用數(shù)學的方法對水火箭進行嚴謹?shù)纳钊氲难芯康某晒皥蟮??！疤魬?zhàn)杯”競賽活動的開展，給我們提供了開展深入研究的機會和舞臺，遂探究之。 研究思路：水火箭飛行狀態(tài)受多種因素影響，箭體內(nèi)氣壓、空氣阻力等。由于因素太多，工作量大我們逐個考慮！這樣難度有所降低，具體步驟這里不再贅述！
科學性、先進性及獨特之處
- 該作品涉及對火箭飛行過程中數(shù)學模型的建立和非線性方程的解。對飛行器的空氣阻力系數(shù)的測定是一個難點。航空航天工程中有專門的風洞實驗室，但其有運行費用、不易普及使用等缺點，我們設(shè)計了一種簡便而又較準確的測定方法（見論文），可以在一定程度上彌補這些不足，同時這方面研究很少，所以具有一定的開拓性的意義。
應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義
- 空氣阻力系數(shù)的測定及其方法對于低速小型火箭的外形設(shè)計可提供參考。得出的結(jié)果對分析類似物體的運動規(guī)律或根據(jù)該原理設(shè)計某種裝置具有較高的借鑒作用。
學術(shù)論文摘要
- 研究了考慮空氣阻力后水火箭飛行狀態(tài)的探究。經(jīng)數(shù)學建模后初步得出火箭飛行的高度的微分方程。我們在通過制作實體火箭，并測出空氣阻力系數(shù) ，來驗證我們理論的正確性。最后是對狀態(tài)方程的求解，這要用到matlab了，上述狀態(tài)方程為非線性方程，無解析解，我們用數(shù)值解法求解。數(shù)值解法的思路是：選定自變量t區(qū)間中的一部分，并將其離散，得到多個離散點，根據(jù)前一離散點的資料，推得后一點的值，這就是所謂的單步方法。當所得的函數(shù)值精度滿足需要時，便成為有效數(shù)據(jù)，從而可以較精確的完成運動分析過程。 我們通過努力已經(jīng)完成了上述內(nèi)容，并且試驗結(jié)果和我們的理論值非常接近。這也證明了目前我們理論的正確性。 下一步也是我們正在努力的階段，在這個階段里我們考慮空氣阻力、氣壓變化兩個變量對飛行狀態(tài)的影響。同時在這個階段里我們將在箭體內(nèi)部植入氣壓傳感器，并記錄其整個飛行過程中的氣壓隨時間變化過程，并轉(zhuǎn)化成時間氣壓變化曲線！。從圖中我們可以更準確的確定火箭飛行時間等重要的數(shù)據(jù)。
獲獎情況
- 2011年5月在山東交通學院獲校級一等獎。
鑒定結(jié)果
- 通過鑒定。
參考文獻
- 1. 東南大學等七所工科學校 物理學 北京 高等教育出版社，2008 2. 羅建軍主編，楊琦副主編MATLAB教程 北京 電子出版社，2005.7 3. 張鐵，閻家斌主編 數(shù)值分析（第二版） 北京 冶金工業(yè)出版社 2007.3 4. （美）Gerald Recktenwald 著 伍衛(wèi)國 萬群 張輝 等譯。數(shù)值方法和MATLAB實現(xiàn)與應(yīng)用。 北京 機械工業(yè)出版社，2004.9 5. 同濟大學應(yīng)用數(shù)學系編 高等數(shù)學（第五版） 北京 高等教育出版社，2008
同類課題研究水平概述
- 國內(nèi)我們還未發(fā)現(xiàn)有用數(shù)學的方法對水火箭進行嚴謹?shù)纳钊氲难芯康某晒皥蟮馈? 國外有業(yè)余愛好者制作過水火箭，其性能較好，但未發(fā)現(xiàn)其用數(shù)學的方法對水火箭進行嚴謹?shù)纳钊氲难芯康某晒?
