一位航空工程师解释烟花

今天是7月4日，为了庆祝，这里有几篇关于空中烟花的漫谈。

如果你怀着爱国的心情，你可能会引爆几枚(或更大的)瓶装火箭，让一些炸弹在空中爆炸。瓶装火箭的侧面有棍子，通常在发射前将棍子放在瓶子里(因此得名)来容纳它们。如果火箭较大，你可以用管子发射。但是这根棍子的确切用途是什么呢？许多人认为它只是在发射过程中握住它们，让它们朝着正确的方向前进(是的，这是真的)，但操纵杆的主要功能是在飞行中稳定它。

瓶装火箭的杆子相当长，这增加了横截面积。这会使火箭的压力中心向后移动。对空气动力而言，物体的压力中心与物体的重心对重量的作用相似。对于一个复杂的物体，重心是各个部分所有重量的“平均值”。一个物体的行为就好像它的整个重量都通过重心(更严格地说是“重心”)，力可以在没有任何力矩或扭转力的情况下解决(如果你把销放在重心上，你可以平衡在一个销上的物体上)。

压力中心是作用在物体上的所有空气动力的“平均值”，整个由物体产生的升力可以建模为好像它是通过该点作用的。

为了使火箭稳定，飞行器的压力中心需要位于重心的后方。这样，如果火箭偏离轨道，空气动力会帮助它回到轨道上。这类似于风向标在尖顶的工作方式。当风吹在风向标上时，因为它的形状不对称，风向标“尾巴”的较大面积将“鼻子”指向风。在火箭里，风不是吹到它上面的，它是被向前推进的，但相对于火箭来说，这是一回事。这就是所谓的天气预报。

正因为如此，你有时可能会看到火箭和导弹尾部的鳍。这些东西增加了“面积”，并有助于将压力中心移到船尾，以保持火箭的稳定。

当火箭在微风中发射时，当它爬上天空时，会变成风，迎风而上。大多数人认为，当火箭侧推时，风会把它吹向下游，但事实是，火箭绕着质心旋转，飞机上的侧风的力就像是对压力中心的推力；将机头枢转为风。由于火箭的速度快于风，所以解决部件使飞行器逆风移动。在刮风的夜晚发射火箭时要记住这一点。

第二个违反直觉的事实是，如果你想让你的火箭更稳定，你就给飞机的机头增加了更多的质量！质量越高，重心就前移，重心和压力中心之间的距离就越大。距离越大，气动力的力矩臂长度越大，意味着修正扭矩越大。CG和CP之间的差异被命名为静态页边距。同样，这似乎是违反直觉的；大多数人认为你应该增加火箭尾部的质量来增加稳定性，有点像钟摆。这不是真的。

注：简单的空气动力稳定性对于不起眼的一次性火箭是很好的，但是，当你处理较大的商业火箭时，还有其他的技巧可以使用。在商用火箭上，整个发动机和排气喷嘴可以通过万向节和方向盘来提供矢量推力。这既是用来操纵飞船的，也是用来提供稳定性的。此外，更小的“游标推进器”可以放置在车辆周围，向外和向下指向，通过调整这些微型发动机的输出，可以应用稳定性和方向盘。正是由于这些原因，你在现代运载火箭上看不到大鳍。

对于非制导导弹(如烟花火箭)，你需要很大的静态裕度；它们需要稳定、可预测，而且你不需要担心机动性。高静态裕度是要付出代价的，这是对控制输入反应慢、机动性差、需要改变航向的高作用力。制导导弹在追逐目标时需要抖动反应，其静态裕度很低(甚至是负的)。计算机控制可以通过不断的微调来保持负稳定的实体飞行，比如将铅笔倒放在你的手指上；计算机一直在努力保持导弹指向正确的方向。这种电传飞行稳定性的额外优势是，当需要转弯时，空气动力想要让你转身，并在这件事上提供帮助。

简单的棍状稳定火箭对小烟火效果很好，但不能很好地缩放。如果你想要更大的刘海和更大的空中爆发，你需要得到更多的有效载荷。一枚更大的火箭，前端有几磅刺激，需要一根20-30英尺长的棍子，这不太实用。也不太安全。向空中发射一根那么大(又重)的棍子，然后让它不知从哪里掉下来(可能着火了)，这是一种灾难的秘诀。将所有对显示器没有任何用处的质量带到空中也是没有效率的。

解决方案是，超过一定大小的空中烟花是迫击炮。这些是从迫击炮管发射到空中的爆裂炮弹的球体(有时是圆柱体)。炮弹有一个内部保险丝，它以已知的速度燃烧，使炮弹在核心点燃爆破药之前达到所需的高度。这种爆炸的电荷将外壳劈开，并点燃外壳内的多颗恒星，这些恒星以漂亮的方式燃烧。贝壳主要是用纸包裹的，绝大多数贝壳要么燃烧，要么在空气中无害地飞来飞去。

炮弹是利用升力电荷将炮弹从管子中发射出来的，这会加速射弹沿着管子向上进入空中。