【正文】 氣象火箭探測站，從 1970 年至 2020 年共發(fā)射1119 枚 MT135 氣象火箭，平均每旬發(fā)射一枚。近年來 NASA 的火箭發(fā)射數(shù)量仍居世界之首，每年要完成 40~60 次發(fā)射任務(wù)，如 2020 年發(fā)射 48 枚， 2020 年已進行 22 次、 42枚火箭發(fā)射 [5]。 （ 1） 發(fā)射頻度 據(jù)統(tǒng)計，美國 NASA 共有 39 個發(fā)射場，一直保持著非常大的發(fā)射量 [4]。 近年來，隨著臨近空間飛行器、導(dǎo)彈武器試驗的不斷增加，我國對空間環(huán)境探測需求日益迫切，亟需開展探空火箭系統(tǒng)規(guī)劃論證工作，實現(xiàn)持續(xù)科學(xué)發(fā)展。 （ 3）操作方便，發(fā)射簡單。 目前用作空間科學(xué)研究的手段主要有 5 種：地面觀測設(shè)備、高空氣球、探空火箭、人造衛(wèi)星、空間站。 第 2 頁 主題詞： 系列化、探空火箭、型譜 、模塊化、公理化設(shè)計、序列近似優(yōu)化方法、氣動優(yōu)化設(shè)計 第 3 頁 ABSTRACT The sounding rocket is an important technique of space science exploration. Because of the strong need for space environment exploration, more research should be performed and planned. In this study, based on statistical investigation, 0~1500km was set to be the exploration goal. The series and modularization of the sounding rocket are necessary. Power engine was defined as the function modules and systematic construction and design was proposed. Three types and five rockets were introduced. The basic theory was analyzed and the independence of the theory was studied. Mathematical models were built and inferences were given, based on which systematic and modular design general processes were demonstrated. Then the structure of the spectrum engine was investigated so that the coupling model was obtained. This facilitates the acquisition of the engine specification. Finally, the establishment of a sounding rocket trajectory, aerodynamic calculation model was defined. For rocketI, the aerodynamic shape and engine were optimized and the feasibility was validated. For 2stage rocket and 3stage rocket, aerodynamic optimization was performed. Dimensionless model was acquired and processed on 3stage rocket and 4stage rocket for the aerodynamic design. 第 4 頁 Eventually the systematic rocket spectrum, including the trajectory graph and aerodynamic properties diagram, consists of five types with 1stage, 2stage, 3stage and 4stage, which can cover 0~1500km height task. The spectrum is capable of wide extent, high modularization and low expense. This paper established the method and process to efficiently design and optimize overall planning and parameters in conception design for rocket, providing references to overall planning in a preliminary stage. Key Words： series, sounding rocket, type spectrum, modular, axiomatic design, sequential approximation optimization, aerodynamic designing. 第 5 頁 第一章 緒論 探空火箭概述 探空火箭以火箭發(fā)動機為動力，將有效載荷送入預(yù)定高度，進行原位探測、試驗。最終得到系列化探空火箭型譜，并繪制相關(guān)彈道圖和氣動特性數(shù)據(jù)圖表。采用基于獨立性公理的系統(tǒng)模塊化組成方法，指導(dǎo)發(fā)動機方案選擇。第 1 頁 摘 要 探空火箭是空間科學(xué)研究的重要手段，隨著我國對空間環(huán)境探測需求日益迫切，亟需開展探空火箭系統(tǒng)型譜規(guī)劃工作。 建立探空火箭的彈道、氣動計算模型。型譜初步實現(xiàn)了模塊化，用盡量少的發(fā)動機模塊完成盡可能多的探測任務(wù)，氣動外形同步實現(xiàn)模塊化，一定程度上提高了模塊化程度。探空火箭為近代火箭技術(shù)發(fā)展過程中研制較早、用途廣泛的一種實用火箭 [1]。其中，氣球可長距離、長時間內(nèi)探測 30km以下大氣參數(shù)，衛(wèi)星可在預(yù)定軌道（＞ 300km）進行科學(xué)探測和空間科學(xué)研究，探空火箭不但是 30~300km 高度范圍內(nèi)進行原位探測的唯一手段，而且可以發(fā)射到更高的高度（＞ 300km），完成電離層、磁場、微重力實驗等研究工作 [3]。某些物理現(xiàn)象如日蝕、太陽耀斑爆發(fā)、流星雨、極光現(xiàn)象、平流層冬季增溫等，一般持續(xù)時間都較短，可供觀測的時間窗口很小。 探空火箭國外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢 發(fā)展現(xiàn)狀 1945 年，美國發(fā)射了世界首枚探空火箭“女兵下士”。其中，美國主要的航天發(fā)射場如 Vandenberg 空軍基地、 Kennedy 空間中心、 WALLOPS第 7 頁 飛行研究所、白沙導(dǎo)彈靶場都建有固定的探空火箭發(fā)射場。 歐洲方面，英國的“云雀”探空火箭系列，瑞典和德國合作的“ TEXUS”微重力火箭系列等，體現(xiàn)了這幾個國家在火箭探空方面的積極嘗試。歐洲國家非常重視微重力科學(xué)實驗，研發(fā)、制造、發(fā)射、保障等環(huán) 節(jié)都有非常詳盡的規(guī)劃， 1990~1996 年間每年發(fā)射一枚長時間微重力火箭、 4 枚短時間微重力火箭 [6]。綜合利用探空火箭、常規(guī)氣象探測以及衛(wèi)星探測資料，美國在歷史上先后推出美國標(biāo)準大氣 1976 年版、卡納維納爾角靶場參考大氣（ 0~70km）、馬歇爾航天中心全球參考大氣模型 1999 年版、航天器開發(fā)使用地球環(huán)境（氣候）標(biāo)準指南 2020 年版等 [4]。此外，也發(fā)射過各種特殊用途的探空火箭，如為核試驗結(jié)果驗證而發(fā)射的取樣火箭等。統(tǒng)計可見流體科學(xué)試驗?zāi)K數(shù)量占據(jù)了大部分，將單元模塊質(zhì)量小于 50kg 的視為小型單元， 50kg~90kg 視為中型單元， 90kg 以上的視為大型單元，對歷年來 微重力試驗單元的質(zhì)量分布進行不完全統(tǒng)計，結(jié)果見第 11 頁 表 。 其中， Loki 系列作為 Arcas 系列的替代產(chǎn)品，是在無控彈的基礎(chǔ)上改進研制的，采用兩級方案，實現(xiàn)了高可靠、低成本（約為 Arcas 火箭的一半）的設(shè)計目標(biāo)。截至目前，以美國、日本為首的發(fā)達國家已完成千余次探空火箭發(fā)射試 驗，現(xiàn)在每年仍有 50 次左右的發(fā)射量，高頻度的發(fā)射積累了大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為建立標(biāo)準大氣模型等基礎(chǔ)性工作奠定了堅實基礎(chǔ)。國外探空火箭系列化程度高，組合化、模塊化使用，如黑雁系列中，黑雁 5 是基本型，在此型基礎(chǔ)上增加不同助推器或小型上面級，即可構(gòu)成其它型號，有效保證了火箭低成本 、系列化發(fā)展。不同試驗對于探空火箭的需求不盡相同，必須在研制過程中，強化“三化”意識，即“通用化、系列化、模塊化”，使之在基本型某礎(chǔ)上形成功能模塊較為多樣、使用范圍較廣的系列化產(chǎn)品，完善探空火箭型譜，以滿足不第 14 頁 同高度、不同載荷以及不同試驗的需求。前期，探空火箭還是以氣象探測為主，后續(xù)，在產(chǎn)品系列化、設(shè)計標(biāo)準化基礎(chǔ)上，降低火箭成本，在開展必耍的臨近空間氣象數(shù)據(jù)探測基礎(chǔ)上，不斷發(fā)展能夠進行深空探測、微重力實驗和空間新技術(shù)驗證等方面研究工作的系列火箭。 1963 年至 1988 年，發(fā)射了 80 多枚探空火箭，積累了不同季節(jié)、不同經(jīng)緯度上的高空大氣溫度、氣壓、密度、風(fēng)向、風(fēng)速等探測資料。其中，織女一號火箭運用了包括推力程序優(yōu)化在內(nèi)的多項關(guān)鍵技術(shù)，達到了良好的探測效果。 （ 3） 型號系列 國防科技大學(xué)、航天科技集團四院等單位，先后研制了和平、探空、挺進、織女、天鷹等型號的探空火箭，技術(shù)指標(biāo) 比較見表 。由于缺乏需求牽引和受國家財力限制等原因，我國探空火箭技術(shù)水平、種類和探測次數(shù)遠遠低于國外發(fā)達國家。 火箭成本有待降低。沒有一定的發(fā)射數(shù)量，難以完成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的積累，嚴重制約了國內(nèi)標(biāo)準大氣模型建立，一定程度上影響了國內(nèi)航天事業(yè)的發(fā)展。因而，探空火箭研制部門不可能也無必要針對每一種有效載荷的要求設(shè)計一種新的運載火箭，而是綜合考慮各種有效載荷的特殊需要和常規(guī)需要后，研制幾種火箭發(fā)動機；或利用已研制成功的火箭發(fā)動機，采用“一機 (發(fā)動機 )多用”原則，將 它們以積木方式組合成探空運載火箭的系列，并編制成型譜，提供使用部門選用，這應(yīng)該成為探空火箭研制的發(fā)展方向。 圖 NASA探空火箭型譜 又如英國主導(dǎo)研制的“云雀”系列探空火箭，早期的云雀火箭是單級的，使用 Raven 固體發(fā)動機，性能可靠。 模塊化設(shè)計方法 如 節(jié)所述，國外先進探空火箭系統(tǒng)都很重視型譜的模塊化程度，合理設(shè)計幾種較優(yōu)的發(fā)動機模塊，通過不同的組合方式達到不同的發(fā)射性能和探測高度，構(gòu)成了從單級到多級的系列化探空火箭型譜，覆蓋的探測任務(wù)較廣泛。他以硅谷為研究對象，提出了“硅谷現(xiàn)象”，公認其人為研究現(xiàn)代化模塊化理論的權(quán)威之一。這篇論文以 IBM360第 22 頁 電腦的模塊化設(shè)計為例，闡述了模塊化方法的基本原理，并大膽做出預(yù)測，模塊化的設(shè)計思想必將進一步推廣到各個領(lǐng)域，這種預(yù)測已被業(yè)界的發(fā)展所證實。日本學(xué)者們認為這是日本汽車工業(yè)相比歐洲的核心競爭力。系列化探空火箭型譜總體設(shè)計這樣的復(fù)雜任務(wù)，總體設(shè)計參數(shù)多，任務(wù)種類多，各個設(shè)計參數(shù)之間耦合較密切。 1977 年， MIT 機械工程系教授 Nam P .Suh，在當(dāng)時系主任的支持下，成立了“制造和生產(chǎn)實驗室”，該實驗室的基本任務(wù)是建立設(shè)計和制造的基本原則，使得在產(chǎn)品設(shè)計階段產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和參數(shù)最大可能的滿足用戶需求[23]。公理化設(shè)計將一切設(shè)計活動劃分為四個域，即：用戶域（ Customer Domain）、功能域（ Functional Domain）、物理域（ Physical 第 24 頁 Domain）和過程域（ Process Domain），每個域包含一定反映設(shè)計活動的元素。 進入 21 世紀，國外應(yīng)用公理化理論體系的領(lǐng)域更廣泛。 國內(nèi)對公理化設(shè)計的研究才剛剛起步，應(yīng)用研究較少，應(yīng)用范圍還不廣泛。在航空航天領(lǐng)域更是少見相關(guān)研究。采用模塊化設(shè)計方法，構(gòu)建合理和有效的探空火箭型譜，是高效、低成本地滿足各種空間探測任務(wù)需求的發(fā)展方向。此外，探空火箭的氣動外形設(shè)計也至關(guān)重要。對系統(tǒng)模塊化理論和公理化設(shè)計理論做了初步的介紹?；讵毩⑿怨恚M行系統(tǒng)模塊化組成方法研究，推導(dǎo)得到系統(tǒng)模塊化組成設(shè)計一般流程，并以此為基礎(chǔ)，指導(dǎo)發(fā)動機方案選擇。 第 28 頁 第二章 探空火箭任務(wù)需求分析 引言 探空火箭是空間環(huán)境探測的重要手段，有其不可替代的優(yōu)勢。本章主要針對不同類型任務(wù)需求開展分析，并對探空火箭完成不同任務(wù)提出主要的性能指標(biāo)需求。 高速再入飛行器依靠空氣動力在大氣層內(nèi)進行一定范圍的機動飛行，可有效提高突防 能力。 基礎(chǔ)研究需求 大氣模型建立 參考大氣是表征真實地球大氣溫度、壓強、密度和風(fēng)等大氣環(huán)境參數(shù)隨高度、位置和季節(jié)分布及變化的大氣模型，是飛行器設(shè)計、彈道模型建立、航天器軌道控制和預(yù)報等重要輸入條件。 第 30 頁 空間科學(xué)探測 根據(jù)溫度分布結(jié)構(gòu)，大氣分為對流層 (0~18km)、平流層 (18~50km)、中間(50~85km)、熱層 (85~500km)和逃逸層（ 500km 以上）。采用探空火箭方式，高度范圍覆蓋性廣，子樣數(shù)多，有原位測量的優(yōu)點。 電離層對空間活動的影響主要包括：①對空間飛行器通信系統(tǒng)的影響：電波時延、信號衰落、通信質(zhì)量下降、電波信號丟失和產(chǎn)生噪聲。⑤空間飛行器充電效應(yīng)：表面