火箭试飞成功的兴奋持续了三天。周一早上,高数课上周教授特意提前十分钟到教室,在黑板上画了个简化的火箭受力图。
“我听说周六有学生自己做的火箭飞上天了,”周教授转身,粉笔在手里转了个圈,“不错。那我们今天就用这个例子,讲一点实际应用。”
他在图旁边写公式:∑F = ma。
“牛顿第二定律,老生常谈。但放在火箭上,∑F 包括推力、重力、空气阻力。推力是时间的函数,重力基本恒定,空气阻力和速度平方成正比。所以加速度 a(t) = [F(t) - mg - kv²] / m(t),而且质量 m 也在随时间减少。”
“这是个变系数非线性微分方程,”周教授顿了顿,“严格解很复杂。但工程上,我们做简化。假设推力恒定,忽略空气阻力,质量线性减少,可以得到解析解。谁上来推一下?”
教室里安静。然后沈思举手,上台。她在黑板上流畅地写下推导过程,最后得到速度表达式:v(t) = (F/m₀) * t - 0.5 * (F/m₀²) * (dm/dt) * t² - gt。
“这还不是完整的,但能看出趋势,”周教授点评,“第一项是推力产生的速度增量,第二项是质量减少的修正,第三项是重力损失。你们周六的火箭,实测最大加速度2.12g,对应推力多少?”
陈青山在下面心算。火箭总重0.808kg,2.12g对应加速度20.8m/s²,推力F = ma = 0.80820.8 ≈ 16.8牛。但发动机标称平均推力12.8牛。
“有偏差,”周教授看到他的表情,“为什么?因为你们忽略了空气阻力。上升段速度不高,阻力不大,但确实存在。另外,推力测量也有误差。工程就是这样,理论是理想模型,实际是带噪声的数据。你们的任务,是从带噪声的数据里,反推真实参数。”
他擦掉黑板,写下新内容:“这周作业,用你们火箭的实测数据,拟合出推力曲线、阻力系数、质量变化率。交一份报告,算平时分。”
下课铃响。陈青山收拾书包时,周教授走过来:“你们火箭的数据,我看看。”
陈青山从书包里掏出复印件——飞行数据的打印版,上面有加速度、速度、高度随时间变化的曲线。
周教授快速浏览:“不错。分离前后的加速度跳变很清楚。二级点火延迟了0.08秒,看到没?在曲线上这里
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