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高一—粤教版—通用技术—必修二第三章
第四节 系统的设计（一）
学习目标
一、明确设计水火箭系统的总体目标及要求；
二、对水火箭的原理和飞行的外部环境进行基
本的设计分析；
三、初步设计水火箭系统；
四、学习制作水火箭的方法；
五、归纳系统设计的基本方法。
长征二号火箭发射全过程
思考：
长征二号F火箭把航天器送入预定轨道主要有哪些步骤？
设计这些步骤的目的是什么？
火箭送航天器进入预定轨道主要步骤
12秒程序转弯，是为了通过调整火箭飞行角度，来节省燃料。
155秒、160秒、210秒火箭部件的分离都是为了抛弃多余的部件,减轻箭体重量，节省燃料。
火箭
燃料燃烧
废气
高压气体
水
水火箭
废气推火箭升空
火箭向下推废气
水推火箭升空
箭体向下推水
设计要求
用容量为500毫升的饮料瓶制作气压式喷水推进火箭。
设计目标
射程45米以上，越远越好。
一、明确设计水火箭系统的总体目标及要求
发射点
A
????1
?
主动段终点
最大弹道高度
目标
M
x
y
????2
?
弹道主动段
上升段
下 降 段
弹道被动段
????2
?
A
????/(????.?????1)
?
x
????1
?
被动段：1.距离和持续时间长；


2.水火箭射程的主要来源；
3.可分为上升段和下降段；
4.????2是被动段的最小值。
?
在理想状态下，向水平方向的目标发射水火箭，可以视为一次斜抛运动。
主动段：1.距离和持续时间很短；

2.释放内能为水火箭飞行提供动能；
3.终点速度????1为整个阶段的最大速度。
?
二、基本的设计分析：原理分析
据物理的运动学原理：
在理想状态下（无空气阻力等因素的影响），以仰角????、出口速度为????（最大速度）来发射水火箭，水火箭的最大射程为：
?
水火箭射程=????12????????????2????????
?
水火箭射程M
弹道主动段终点速度????1
?
发射仰角????
?
发射点
A
????1
?
主动段终点
最大弹道高度
目标
M
x
y
????2
?
弹道主动段
上升段
下 降 段
弹道被动段
????2
?
A
????/(????.?????1)
?
x
????1
?
二、基本的设计分析：原理分析
据物理的运动学原理：
在理想状态下（无空气阻力等因素的影响），以仰角????、出口速度为????（最大速度）来发射水火箭，水火箭的最大射程为：
?
水火箭射程=????12????????????2????????
?
弹道主动段终点速度????1越大，水火箭射程越远。
?
发射仰角为45°时，水火箭射程最远。
发射点
A
????1
?
主动段终点
最大弹道高度
目标
M
x
y
????2
?
弹道主动段
上升段
下 降 段
弹道被动段
????2
?
A
????/(????.?????1)
?
x
????1
?
二、基本的设计分析：原理分析
因为：水火箭的初速度为0
所以：????1=at
?
水火箭射程=????12????????????2????????
?
水火箭射程
弹道主动段终点速度????1
?
发射仰角????
?
弹道主动段加速度a
弹道主动段加速度持续时间t
????1=????0 +at
?
二、基本的设计分析：原理分析
方法一：增加动力舱的气压
气压大 推力大 加速度大 出口速度大
射程远
瓶内气压大 瓶子受到的压力大 选择抗压能力强的饮料瓶
牛顿第二定律：F=ma 压强公式：F=PS
水火箭射程=????12????????????2????????
?
主动段终点速度????1=at
?
二、基本的设计分析：原理分析
方法二：加大动力舱横截面积
横截面积大 推力大 加速度大 出口速度大
飞行距离远
牛顿第二定律：F=ma 压强公式：F=PS
水火箭射程=????12????????????2????????
?
主动段终点速度????1=at
?
二、基本的设计分析：原理分析
水火箭射程
弹道主动段终点速度
发射仰角
弹道主动段加速度a
弹道主动段加速度持续时间t
反冲推力F
水火箭的质量m小
更轻的材料
更小的箭体
……
牛顿第二定律：F=ma 压强公式：F=PS
水火箭射程=????12????????????2????????
?
主动段终点速度????1=at
?
二、基本的设计分析：原理分析
F、t不变：箭体质量m小 主动段加速度a大、????1大 水火箭射程远
?
影响加速度持续时间t的因素：
水火箭射程
弹道主动段终点速度
发射仰角
弹道主动段加速度a
弹道主动段加速度持续时间t
动力舱加压气体的量
水量
二、基本的设计分析：原理分析
空气阻力小 动能损耗小 水火箭射程远
水火箭射程
弹道主动段终点速度
发射仰角
空气阻力
二、基本的设计分析：外部环境分析
发射点
A
????1
?
主动段终点
最大弹道高度
目标
M
x
y
????2
?
弹道主动段
上升段
下 降 段
弹道被动段
????2
?
A
????/(????.?????1)
?
x
????1
?
水火箭射程
弹道主动段终点速度
发射仰角
空气阻力
加一个尖形整流罩
减小箭体横截面积
尖形整流罩
减小箭体横截面积
更光滑的箭体表面
二、基本的设计分析：外部环境分析
水火箭的速度方向
空气气流方向
箭体轴线
风向
风向
水火箭射程
弹道主动段终点速度
外部环境
发射仰角
飞行稳定性
空气阻力
天气状况
二、基本的设计分析：外部环境分析
水火箭的速度方向
风向
箭体轴线
风向
风向
二、基本的设计分析：外部环境分析

空气气流方向
当水火箭的实际飞行方向偏离原速度方向时，需要及时修正。
水火箭射程
弹道主动段终点速度
外部环境
发射仰角
飞行稳定性
尾翼
二、基本的设计分析：外部环境分析
尾翼
箭体轴心
水火箭的速度方向
尾翼上表面
尾翼下表面
尾翼上表面的气压 = 尾翼下表面的气压
（以尾翼为参照物）
空气气流方向
二、基本的设计分析：外部环境分析
水火箭的速度方向
尾翼背风面
尾翼迎风面
尾翼
箭体轴心
尾翼下表面的气压>尾翼上表面的气压
（迎风面）
（背风面）
二、基本的设计分析：外部环境分析
（以尾翼为参照物）
空气气流方向
水火箭的速度方向
尾翼迎风面
尾翼背风面
尾翼
箭体轴心
尾翼上表面的气压>尾翼下表面的气压
（迎风面） （背风面）
二、基本的设计分析：外部环境分析
（以尾翼为参照物）
空气气流方向
水火箭射程
弹道主动段终点速度
外部环境
发射仰角
飞行稳定性
尾翼
重心位置
重心位置
重心位置
重心位置
二、基本的设计分析：外部环境分析
三、水火箭的初步设计
水火箭总系统
箭体
子系统
动力
子系统
发射
子系统
壳体（光滑）
箭头（尖形）
箭翼（最少三片）
加压空气（大小、量）
水（量）
动力舱（容积、横截面积、
抗压性）
喷嘴（成熟、可靠）
辅助设备（成熟、可靠）
发射架（成熟、可靠）
发射轨道（成熟、可靠）
飞行稳定性
水火箭射程
弹道主动段终点速度
发射仰角
弹道主动段加速度a
弹道主动段加速度持续时间t
反冲推力F
水火箭的质量m
高压气体量
水量
瓶内气压
饮料瓶的横截面积
外部环境
空气阻力
天气状况
重心位置
尾翼
系统总体技术设计
主要影响因素
三、水火箭的初步设计
牛顿第二定律：F=ma
压强公式：F=PS
反冲推力与空气阻力的冲突
动力舱横截面积大
反冲推力大
空气阻力小
冲突
冲突
动力舱横截面积小
水火箭射程远
三、水火箭的初步设计
加速度持续时间与箭体重量的冲突
加速度持续时间长
箭体重量大
动力舱容积大
水火箭射程远
水火箭射程近
冲突
冲突
三、水火箭的初步设计
重心位置
飞行姿态稳定性与箭体重量的冲突
飞行姿态稳定
箭体重量大
重心靠前
水火箭射程远
水火箭射程近
冲突
冲突
三、水火箭的初步设计
环境变化
系统变化
风速、风向变化 发射仰角调整
三、水火箭的初步设计
1.以实现系统整体功能最优为目的。
2.设计好系统的每个要素和子系统。
3.综合考虑系统各部分（要素）之间的联系，合理解决它们之间的矛盾冲突；注重系统与环境、部分（要素）与整体之间的协调。
在进行系统总设计时应：
三、水火箭的初步设计
（一）使用的工具：
美工刀、剪刀、
钢尺、记号笔。

（二）使用的材料：
饮料瓶、硬胶套、
抽杆文件夹、
胶布、双面胶、
喷嘴。
四、水火箭制作
四、水火箭制作
(一)明确设计水火箭系统的总体目
标及要求；
(二)对水火箭的原理和飞行的外部
环境进行基本的设计分析；
(三)初步设计水火箭系统；
(四)学习制作水火箭的方法。

五、归纳水火箭系统设计的部分方法
明确总体目标
基本的设计分析
系统的设计
设计的制作
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