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高一—粵教版—通用技術—必修二第三章
第四節 系統的設計（一）
學習目標
一、明確設計水火箭系統的總體目標及要求；
二、對水火箭的原理和飛行的外部環境進行基
本的設計分析；
三、初步設計水火箭系統；
四、學習制作水火箭的方法；
五、歸納系統設計的基本方法。
長征二號火箭發射全過程
思考：
長征二號F火箭把航天器送入預定軌道主要有哪些步驟？
設計這些步驟的目的是什么？
火箭送航天器進入預定軌道主要步驟
12秒程序轉彎，是為了通過調整火箭飛行角度，來節省燃料。
155秒、160秒、210秒火箭部件的分離都是為了拋棄多余的部件,減輕箭體重量，節省燃料。
火箭
燃料燃燒
廢氣
高壓氣體
水
水火箭
廢氣推火箭升空
火箭向下推廢氣
水推火箭升空
箭體向下推水
設計要求
用容量為500毫升的飲料瓶制作氣壓式噴水推進火箭。
設計目標
射程45米以上，越遠越好。
一、明確設計水火箭系統的總體目標及要求
發射點
A
????1
?
主動段終點
最大彈道高度
目標
M
x
y
????2
?
彈道主動段
上升段
下 降 段
彈道被動段
????2
?
A
????/(????.?????1)
?
x
????1
?
被動段：1.距離和持續時間長；


2.水火箭射程的主要來源；
3.可分為上升段和下降段；
4.????2是被動段的最小值。
?
在理想狀態下，向水平方向的目標發射水火箭，可以視為一次斜拋運動。
主動段：1.距離和持續時間很短；

2.釋放內能為水火箭飛行提供動能；
3.終點速度????1為整個階段的最大速度。
?
二、基本的設計分析：原理分析
據物理的運動學原理：
在理想狀態下（無空氣阻力等因素的影響），以仰角????、出口速度為????（最大速度）來發射水火箭，水火箭的最大射程為：
?
水火箭射程=????12????????????2????????
?
水火箭射程M
彈道主動段終點速度????1
?
發射仰角????
?
發射點
A
????1
?
主動段終點
最大彈道高度
目標
M
x
y
????2
?
彈道主動段
上升段
下 降 段
彈道被動段
????2
?
A
????/(????.?????1)
?
x
????1
?
二、基本的設計分析：原理分析
據物理的運動學原理：
在理想狀態下（無空氣阻力等因素的影響），以仰角????、出口速度為????（最大速度）來發射水火箭，水火箭的最大射程為：
?
水火箭射程=????12????????????2????????
?
彈道主動段終點速度????1越大，水火箭射程越遠。
?
發射仰角為45°時，水火箭射程最遠。
發射點
A
????1
?
主動段終點
最大彈道高度
目標
M
x
y
????2
?
彈道主動段
上升段
下 降 段
彈道被動段
????2
?
A
????/(????.?????1)
?
x
????1
?
二、基本的設計分析：原理分析
因為：水火箭的初速度為0
所以：????1=at
?
水火箭射程=????12????????????2????????
?
水火箭射程
彈道主動段終點速度????1
?
發射仰角????
?
彈道主動段加速度a
彈道主動段加速度持續時間t
????1=????0 +at
?
二、基本的設計分析：原理分析
方法一：增加動力艙的氣壓
氣壓大 推力大 加速度大 出口速度大
射程遠
瓶內氣壓大 瓶子受到的壓力大 選擇抗壓能力強的飲料瓶
牛頓第二定律：F=ma 壓強公式：F=PS
水火箭射程=????12????????????2????????
?
主動段終點速度????1=at
?
二、基本的設計分析：原理分析
方法二：加大動力艙橫截面積
橫截面積大 推力大 加速度大 出口速度大
飛行距離遠
牛頓第二定律：F=ma 壓強公式：F=PS
水火箭射程=????12????????????2????????
?
主動段終點速度????1=at
?
二、基本的設計分析：原理分析
水火箭射程
彈道主動段終點速度
發射仰角
彈道主動段加速度a
彈道主動段加速度持續時間t
反沖推力F
水火箭的質量m小
更輕的材料
更小的箭體
……
牛頓第二定律：F=ma 壓強公式：F=PS
水火箭射程=????12????????????2????????
?
主動段終點速度????1=at
?
二、基本的設計分析：原理分析
F、t不變：箭體質量m小 主動段加速度a大、????1大 水火箭射程遠
?
影響加速度持續時間t的因素：
水火箭射程
彈道主動段終點速度
發射仰角
彈道主動段加速度a
彈道主動段加速度持續時間t
動力艙加壓氣體的量
水量
二、基本的設計分析：原理分析
空氣阻力小 動能損耗小 水火箭射程遠
水火箭射程
彈道主動段終點速度
發射仰角
空氣阻力
二、基本的設計分析：外部環境分析
發射點
A
????1
?
主動段終點
最大彈道高度
目標
M
x
y
????2
?
彈道主動段
上升段
下 降 段
彈道被動段
????2
?
A
????/(????.?????1)
?
x
????1
?
水火箭射程
彈道主動段終點速度
發射仰角
空氣阻力
加一個尖形整流罩
減小箭體橫截面積
尖形整流罩
減小箭體橫截面積
更光滑的箭體表面
二、基本的設計分析：外部環境分析
水火箭的速度方向
空氣氣流方向
箭體軸線
風向
風向
水火箭射程
彈道主動段終點速度
外部環境
發射仰角
飛行穩定性
空氣阻力
天氣狀況
二、基本的設計分析：外部環境分析
水火箭的速度方向
風向
箭體軸線
風向
風向
二、基本的設計分析：外部環境分析

空氣氣流方向
當水火箭的實際飛行方向偏離原速度方向時，需要及時修正。
水火箭射程
彈道主動段終點速度
外部環境
發射仰角
飛行穩定性
尾翼
二、基本的設計分析：外部環境分析
尾翼
箭體軸心
水火箭的速度方向
尾翼上表面
尾翼下表面
尾翼上表面的氣壓 = 尾翼下表面的氣壓
（以尾翼為參照物）
空氣氣流方向
二、基本的設計分析：外部環境分析
水火箭的速度方向
尾翼背風面
尾翼迎風面
尾翼
箭體軸心
尾翼下表面的氣壓>尾翼上表面的氣壓
（迎風面）
（背風面）
二、基本的設計分析：外部環境分析
（以尾翼為參照物）
空氣氣流方向
水火箭的速度方向
尾翼迎風面
尾翼背風面
尾翼
箭體軸心
尾翼上表面的氣壓>尾翼下表面的氣壓
（迎風面） （背風面）
二、基本的設計分析：外部環境分析
（以尾翼為參照物）
空氣氣流方向
水火箭射程
彈道主動段終點速度
外部環境
發射仰角
飛行穩定性
尾翼
重心位置
重心位置
重心位置
重心位置
二、基本的設計分析：外部環境分析
三、水火箭的初步設計
水火箭總系統
箭體
子系統
動力
子系統
發射
子系統
殼體（光滑）
箭頭（尖形）
箭翼（最少三片）
加壓空氣（大小、量）
水（量）
動力艙（容積、橫截面積、
抗壓性）
噴嘴（成熟、可靠）
輔助設備（成熟、可靠）
發射架（成熟、可靠）
發射軌道（成熟、可靠）
飛行穩定性
水火箭射程
彈道主動段終點速度
發射仰角
彈道主動段加速度a
彈道主動段加速度持續時間t
反沖推力F
水火箭的質量m
高壓氣體量
水量
瓶內氣壓
飲料瓶的橫截面積
外部環境
空氣阻力
天氣狀況
重心位置
尾翼
系統總體技術設計
主要影響因素
三、水火箭的初步設計
牛頓第二定律：F=ma
壓強公式：F=PS
反沖推力與空氣阻力的沖突
動力艙橫截面積大
反沖推力大
空氣阻力小
沖突
沖突
動力艙橫截面積小
水火箭射程遠
三、水火箭的初步設計
加速度持續時間與箭體重量的沖突
加速度持續時間長
箭體重量大
動力艙容積大
水火箭射程遠
水火箭射程近
沖突
沖突
三、水火箭的初步設計
重心位置
飛行姿態穩定性與箭體重量的沖突
飛行姿態穩定
箭體重量大
重心靠前
水火箭射程遠
水火箭射程近
沖突
沖突
三、水火箭的初步設計
環境變化
系統變化
風速、風向變化 發射仰角調整
三、水火箭的初步設計
1.以實現系統整體功能最優為目的。
2.設計好系統的每個要素和子系統。
3.綜合考慮系統各部分（要素）之間的聯系，合理解決它們之間的矛盾沖突；注重系統與環境、部分（要素）與整體之間的協調。
在進行系統總設計時應：
三、水火箭的初步設計
（一）使用的工具：
美工刀、剪刀、
鋼尺、記號筆。

（二）使用的材料：
飲料瓶、硬膠套、
抽桿文件夾、
膠布、雙面膠、
噴嘴。
四、水火箭制作
四、水火箭制作
(一)明確設計水火箭系統的總體目
標及要求；
(二)對水火箭的原理和飛行的外部
環境進行基本的設計分析；
(三)初步設計水火箭系統；
(四)學習制作水火箭的方法。

五、歸納水火箭系統設計的部分方法
明確總體目標
基本的設計分析
系統的設計
設計的制作
謝謝觀看

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