利用Open Rocket软件设计固体模型火箭

航天模型，是仿航天器外形制作的、供运动用的一种可回收模型。其动力多为模型火箭发动机――一种微型固体火箭发动机。由于航天模型多呈火箭状，故通常称模型火箭。换句话说，模型火箭是指不利用气动升力克服重力，而仅靠模型火箭发动机推进升空的一种航空模型。它装有能够安全返回地面的回收装置，以便再次飞行；为确保安全，其结构部件必须由非金属材料制成。简易的模型火箭主要由箭体筒段、头锥、尾段、尾翼、发动机固定装置（内筒）、回收装置等几部分组成。

Open Rocket是一款开源仿真模型设计软件，最早由赫尔辛基理工大学的尼斯卡宁设计。由于该软件基于JAVA语言编写，因此具有极高的跨平台通用性。随着越来越多爱好者的参与完善，该软件已具有丰富的预设参数与插件。而其强大的功能与拓展性使这款软件被部分火箭设计机构及个人爱好者广泛使用。本文将简单介绍如何利用Open Rocket软件设计一款伞降回收固体发动机模型火箭。

主界面

Open Rocket的主界面可划分为三部分，分别是应用模块区、组件素材库和预览区（图1）。在主界面左上方的应用模块区包含了火箭设计、组件设置及飞行仿真三大功能。其中，火箭设计以结构树方式显示出各组件间的联系，查看起来简单方便。右上方的组件素材库几乎包含了设计模型火箭所需的一切结构构型，只需输入参数，软件便可自行生成预览图。而下方的预览区则可显示模型火箭的侧视图、俯视图、三维图、三维草图和三维精细图。

模型设计

笔者设计的这款模型火箭长42.5cm、最大直径2.5cm，总重量68g（含发动机）。因其重心在距头锥约26.3cm处、压心在距头锥约32cm处，所以飞行状态比较稳定。该模型火箭最大爬升高度可达337m、最大爬升速度为100m/s、最大加速度为192m/s2。下面分部件介绍具体设计方法。

1.头锥

点击主界面“添加新组件”窗口中“箭体部件和稳定翼”的“头锥”按钮，便会弹出头锥参数设计对话框。将头锥外形选取尖顶拱，长度设为10cm、底座直径设为2.5cm、壁厚设为2mm，材料选择聚苯乙烯，其他数据选择默认（图2）。参数确定后，主界面工作区域将显示出头锥的侧视图。而Open Rocket软件还会自动根据所设参数计算出其重心及压心。蓝色圆点为重心（CG），红色圆点为压心（CC）（图3）。

2.箭体筒段

点击主界面“添加新组件”窗口中“箭体部件和稳定翼”的“箭体”按钮设置箭体参数。将箭体长度修改为30cm、外径改为2.5cm、内径改为2.3cm、壁厚为1mm。箭体材质选用硬纸板（图4）。之后主界面工作区域将显示箭体侧视图，并自动与刚刚设置好的头锥连接在一起（图5）。

3.梯形尾翼

点击主界面“添加新组件”窗口中“箭体部件和稳定翼”的“梯形稳定翼”按钮设置尾翼参数。将模型火箭尾翼数量设为3个，并将翼根弦长设为5cm、翼梢弦长设为5cm、高度设为3cm，后掠长度设为2.5cm。同样，选择好后的尾翼也将自动组合在箭体上（图6）。

4.发动机固定装置（内筒）

设置好模型火箭整体外形后，再设计内筒尺寸。点击主界面“添加新组件”窗口中“内部部件”的“内筒”按钮设置内筒参数。将外径设为1.9cm、内径设为1.8cm、壁厚为0.5mm、长度7.5cm，制作材料选择硬纸板。设置好后的内筒便以阴影的方式显示在模型火箭整体侧视图中（图7）。安装内筒后，软件将会重新调整重心及压心的相对位置。

5.中心环

为避免模型火箭发动机在发射时脱落，需在箭体内加装两个用于紧固发动机的中心环。这时需先点击主界面“添加新组件”窗口中“内部部件”的“中心环”按钮，然后根据箭筒与内筒尺寸设计中心环。将两个中心环外径设为2.3cm、内径设为1.9cm、壁厚为2mm，分别安装在与模型火箭底部平行及距底部4.5cm处。材料为硬纸板（图8）。

6.发动机

点击主界面“添加新组件”窗口中“内部部件”的“发动机”按钮，选择模型火箭发动机。因笔者设计的是一款伞降模型火箭，故选择C6-5模型火箭发动机。该发动机总冲为10N・s、平均推力6N，延迟开伞时间为5s。

7.降落伞

这款模型火箭设计的最后一项工作是确定降落伞的结构与参数。具体方法为：点击主界面“添加新组件”窗口中“内部部件”的“降落伞”按钮，将伞衣直径设为30cm，折叠后存放位置设于距头锥3.2cm的筒身内，采用尼龙材料制作。伞包长度设为4.2cm、直径为1.8cm。吊索6条，每条长30cm，材料为松紧绳。

至此，模型火箭的整体设计就基本完成了，接下来可对其进行3D转化以及外观美化（图9）。这两个步骤可同时进行，具体方法为：先选中主界面左侧结构树中某一部件，然后点击“编辑”，在外观选项卡内选择要填充的纹理和颜色。这样便完成了模型火箭的3D转化及外观美化（图10）。

仿真试验分析

接下来对模型火箭进行飞行仿真试验。先点击主界面左上方的“飞行仿真”按钮，接着选择“运行仿真”，然后点击“绘图输出”按钮，即可得到模型火箭发射时相关参数曲线图。

1.模型火箭垂直加速度-时间曲线图

点火开始时，在化学推进剂作用下，模型火箭爬升速度很快，即加速度很大，最高可达192m/s2 ；点火完成后，模型火箭发动机推力逐渐减小，但推力仍大于重力，加速度也大于零。随着时间推移，模型火箭发动机推力等于重力时，加速度趋近于零；之后，推力小于重力，加速度变为负值，并逐渐变小。在1.67s左右，二级化学推进剂开始工作，但由于二级推力初始段很小，因此加速度刚开始为负值；随着二级推力的增加，最终将与重力平衡，模型火箭的加速度保持为零（图11）。

2.模型火箭垂直速度-时间曲线图

点火时，模型发动机推力较大，模型火箭爬升速度增加很快；点火完成后，推力逐渐减小，但仍然大于重力，加速度大于零，速度也保持增加。当推力逐渐减小到等于重力时，加速度减为零，速度此时达到最大值100m/s；随后，推力小于重力，加速度变为负值，速度开始逐渐减小。在1.67s左右时，二级化学推进剂开始工作，但由于此阶段二级推力很小，加速度一直为负值，因此速度仍然减小；当二级推力增加到与重力平衡时，加速度为零，速度也保持不变，最终以5m/s的速度匀速下降（图12）。

3.模型火箭飞行高度-时间曲线图

点火时，在化学推进剂作用下，模型火箭快速爬升。点火完成后，推力逐渐减小，当推力大于重力时，火箭处于加速过程，且高度不断上升；当推力小于重力时，加速度变为负值、速度下降，模型火箭开始做减速上升运动，直到速度减为零时停止。此时模型火箭达到最高点337m。之后，模型火箭在重力和降落伞的作用下，匀速下降，并返回地面（图13）。

4.模型火箭发动机推力-时间曲线图

点火开始后，化学推进剂在燃烧室中充分燃烧，产生高温高压燃气，经喷管膨胀加速后，将热能转化为动能，并以极高的速度从喷管排出。模型火箭发动机初始推力很大，而随着推进剂的消耗，推力逐渐减小，最后减至零（图14）。

总结

以上就是运用Open Rocket软件设计模型火箭并对其进行运动学仿真分析的全过程。作为仿真建模技术软件，Open Rocket具有设计模型火箭所需的几乎所有制图工具，并提供3D及2D 预览功能。它还可测试所设计的模型火箭能达到的最大高度、选取最适合的模型火箭发动机等等。由于该软件具有试验所无法比拟的低成本、高效率及操作简单等优点，因此在模型火箭的设计与校核中得到了广泛应用，十分适合初级爱好者使用。