【正文】 ，并把它作為主要工具大量地廣泛用子微重力科學(xué)的實驗研究，在此基礎(chǔ)上少量發(fā)展“長時間探空火箭”，至今這種“長時間探空火箭”還不成熟 [18]。從圖 可知，要使微重力試驗時間從 5~7 分鐘增加到 12~14 分鐘，彈道頂點高度需從200~300km 增加到 700~900km?！岸虝r間探空火箭”的微重力實驗時間為 5~7 分鐘；“長時間探空火箭”的微重力實驗時間為 14~15 分鐘。表 所示地球重力場中產(chǎn)生微重力的各種方法中，微重力試驗火箭是僅次于軌道方法的一種試驗手段。 大氣密度隨海拔高度增加按指數(shù)規(guī)律迅速下降，海拔高度 l00km 公里處的大氣密度大約為海平面處大氣密度的百萬分之一。 針對上述空間中電離層、磁場、高能粒子輻照、高層大氣等因素探測研究需求，需利用探空火箭開展相關(guān)探測工作。在 300km 以下，大氣的主要物質(zhì)組成是氧原子、氮分子和氧分子。 第 32 頁 因此，需要對空間中的高能粒子、射線、質(zhì)子、重離子的能譜和通量進(jìn)行探測，以得到粒子的空間分布和運(yùn)動規(guī)律。其對航天器的影響包括：①空間輻射效應(yīng)：某些高能帶電粒子會與飛行器上所使用的電子元器件和功能材料的相互作用，引發(fā)特殊的空間輻射效應(yīng)，如總電離劑量效應(yīng)、單粒子效應(yīng)等。 （ 2） 地球磁場探測 近地磁場對空間飛行器的影響包括：①影響空間飛行器軌道和姿態(tài)。③對空間飛行器軌道和姿態(tài)的影響：阻第 31 頁 力增大。因此，利用探空火箭，配合地基遙感探測和衛(wèi)星探測數(shù)據(jù)，對空間中的電離層、磁場、高能粒子輻照、高層大氣等進(jìn)行探測，掌握地球大氣與太陽輻射、空間大氣相互作用的基本規(guī)律，可逐漸清晰、積累相關(guān)因素對飛行器的影響 [16]。 目前，進(jìn)行空間科學(xué)探測主要有地基遙感、衛(wèi)星探測和探空火箭等手段。 參考大氣模型構(gòu)建需要原始觀探測資料，除常規(guī)地面探測數(shù)據(jù)、衛(wèi)星探測數(shù)據(jù)及數(shù)值預(yù)報分析數(shù)據(jù)外，探空火箭探測數(shù)據(jù)是大氣環(huán)境參數(shù)測量的 關(guān)鍵數(shù)據(jù)。 空間飛行器飛行高度更高，大氣環(huán)境因素對發(fā)射任務(wù)的成敗起著重要作用，高層大氣、電離層、磁場等空間環(huán)境因素都會對飛行器性能產(chǎn)生影響。 臨近空間大氣環(huán)境要素是臨近空間飛行器設(shè)計研制、飛行試驗、考核定型等階段不可缺少的重要輸入條件。試驗任務(wù)需求是為某些飛行任務(wù)提供數(shù)據(jù)支持，基礎(chǔ)研究是為基礎(chǔ)理論研究服務(wù)。 第五章使用解 耦法對兩種二級探空火箭探測 2 和探測 3 進(jìn)行氣動外形優(yōu)化設(shè)計，使用無量綱加權(quán)法對三級探空火箭探測 4 和四級探空火箭探測 5 進(jìn)行統(tǒng)一的氣動外形優(yōu)化設(shè)計。 第三章基于模塊化設(shè)計原理，進(jìn)行系列化探空火箭型譜規(guī)劃，確定以發(fā)動機(jī)作為功能 模塊進(jìn)行體系構(gòu)建和設(shè)計，在國內(nèi)需求綜合分析的基礎(chǔ)上，提出三類探空火箭：氣象探測火箭、空間環(huán)境探測火箭、深空探測火箭。故本文對系列化探空火箭型譜進(jìn)行氣動外形優(yōu)化設(shè)計，進(jìn)一步完善型譜性能。同時，動力系統(tǒng)在探空火箭成本構(gòu)成中占較大比例。 本文研究思路和內(nèi)容安排 如前文所述，我國亟需建立系統(tǒng)的、能夠完成各種探測任務(wù)的探空火箭型譜。 總體來看，公理化設(shè)計方法在國外工程設(shè)計領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，并取得了顯著效果。 2020 年， J W Melvin ， N P Suh 對公理化設(shè)計理論的仿真環(huán)境進(jìn)行構(gòu)建，并第 25 頁 將其應(yīng)用在汽車機(jī)械主軸設(shè)計中 [32]； P Ge， S C– Y. Lu， N P Suh 對基于目標(biāo)瀑布的工程系統(tǒng)參數(shù)化設(shè)計方法進(jìn)行了推導(dǎo)，并討論研究了相關(guān)方法在汽車設(shè)計系統(tǒng)中的應(yīng)用 [33]； Jinpyung Chung， N P Suh 提出了 VModel 的產(chǎn)品幾何拓?fù)浜托螤钤O(shè)計方法 [34]。 截至目前，公理化設(shè)計方法在很多西方發(fā)達(dá)國家得到了廣泛的推廣和應(yīng)用，是產(chǎn)品設(shè)計理論和方法學(xué)的重要生力軍。后經(jīng)過 Suh 教授團(tuán)隊的不懈努力和大力推廣，形成了產(chǎn)品設(shè)計階段最重要的“獨立性公理”，并于 1990 年出版專著 The Principles of Design[24]，標(biāo)志著這種新的設(shè)計方法和理念 —— 公理化設(shè)計的概念誕生了。面對這種情況，公理化設(shè)計理論體系能夠發(fā)揮其作用，起到理清設(shè)計思路，明確設(shè)計過程和設(shè)計目標(biāo)的作用，為系統(tǒng)模塊化設(shè)計思想與具體的 設(shè)計工作搭建起一座橋梁。它們被稱為“日本學(xué)派”。 （ 3） 日本學(xué)派 模塊化理論在日本的發(fā)展一直很先進(jìn)，日本學(xué)者長期以來關(guān)注模塊化理論在汽車工業(yè)中的發(fā)展與應(yīng)用。鮑德溫和金 現(xiàn)代模塊化理論的研究主要分為三個系統(tǒng)： （ 1） 青木派 作為經(jīng)濟(jì)學(xué)家，青木昌彥注重考查經(jīng)濟(jì)學(xué)、微觀經(jīng)濟(jì)學(xué)領(lǐng)域的模塊化行為和趨勢。因而，需要研制更強(qiáng)大的發(fā)動機(jī)組，“云雀”采取的措施是增加助推器，有效提高了運(yùn)載能力，第 21 頁 在 TEXUS 微重力計劃中發(fā)揮了重要的作用。第 20 頁 隨著研制工作的不斷開展，并配合美國科學(xué)實驗和技術(shù)驗證的需求， NASA 形成了以“黑雁”系列探空火箭為主體的系列化探空火箭型譜，如圖 所示，十枚探空火箭從一級的“獵戶座改”到四級的“黑雁 12”，構(gòu)成了其探空火箭項目的型譜。現(xiàn)代科學(xué)探測的多樣化和多需求對探空火箭 系統(tǒng)提出了更高的要求。 第 19 頁 發(fā)射頻率有待增加。針對相關(guān)科研試驗需求，國內(nèi)先后研制了和平、探空、挺進(jìn)、織女、天鷹等型號的探空火箭，但通用性不強(qiáng)，能力與需求還有較大差距，缺少統(tǒng)一的頂層規(guī)劃。相比國外探空火箭，運(yùn)載能力、飛行高度還相對較低，應(yīng)用范圍還是以氣象探測為主，用途相對單一 ，電離層、磁場等空間探測活動及微重力試驗進(jìn)行的較少。伴隨核試驗一同研發(fā)，用以采集核爆炸后的放射性微粒，例如挺近二號火箭。進(jìn)入新世紀(jì)以來，結(jié)合“子午工程”和一些重大專項任務(wù)，火箭探空活動日益增多 [13]。 （ 1） 發(fā)射頻度 至 20 世紀(jì)末，累計己在酒泉、馬蘭、昆明、海南等 地發(fā)射了近 260 枚各類探空火箭，半數(shù)以上為氣象火箭，這些火箭都是靠尾翼穩(wěn)定飛行的無控火箭 [11]。探測任務(wù)的多樣化、火箭的復(fù)雜性和火箭的研發(fā)成本永遠(yuǎn)是一對矛盾 ，只有采用標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計思想，才能為頂層規(guī)劃提供方便，致力于研發(fā)可供各類探測任務(wù)所用的基礎(chǔ)型箭載設(shè)備，有利于為各種有效載荷提供合適的平臺。 第 13 頁 圖 美國主要使用的探空火箭 發(fā)展趨勢 綜合分析國外技術(shù)發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，探空火箭發(fā)展趨勢體現(xiàn)在產(chǎn)品系列化、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化、用途多元化三個方面。國外發(fā)達(dá)國家利用探空火箭，在充分獲取臨近空間氣象數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，不斷提升火箭運(yùn)載能力，持續(xù)開展電離層、高空磁場、極光、高空大氣成分等空間科學(xué)探測，而在微重力科學(xué)研究和空間科學(xué)實驗等傳統(tǒng)項目上仍舊保持著極大的探測熱度。后續(xù)的黑雁系列探空火箭采用多級推進(jìn)、模塊化設(shè)計方案，火箭一二三四級可供選用，更加靈活、可靠，是目前使用最為廣泛的探空火箭。其一直注重和西方國家的合作，不僅在常規(guī)探測項目上成績喜人，更在包括赤道區(qū)高層大氣等特色項目上進(jìn)行了佷多的研究。瑞典的空間探測首先立足于它處于極光區(qū)的特殊地理位置，研究范圍主要是電離層、高空磁場、極光、高空大氣成分等。從表 可以看出，自上世紀(jì) 60 年代，美國就開始了電離層、磁場、微重力等多種類的空間探測試驗，探測區(qū)域以 300km 以下為主，也有 部分 1000km 以上探測高度的探測活動。 （ 2） 試驗用途 自上世紀(jì) 60 年代以來，美國發(fā)射了大量探空火箭進(jìn)行空間環(huán)境探測，從數(shù)量上看以氣象火箭為主，比較有代表性的是 Loki、 Arcas 等，以此獲得了大量臨近空間氣溫、氣壓、風(fēng)場、大氣成分、電子密度等探測資料 [8]。以上這些國家從上世紀(jì) 70 年代開始就開展了大量常規(guī)氣象探測活動。 70 年代中后期，年發(fā)射量可以達(dá)到 80 枚左右。已研制了 60km 乃至1000km 以上不同高度的探空火箭系列，進(jìn)行了衛(wèi)星等其他探測手段所不能及的空間探測活動，為各種理論基礎(chǔ) 研究和試驗任務(wù)探測需求做出了重大的貢獻(xiàn)。 （ 4）研制費用低，研制周期短。 （ 2）可直接測量大氣參數(shù)的垂直分布，特別適于研究全國性的或地區(qū)性的高第 6 頁 空大氣模式、高空電離層模式等。微重力火箭可以提供一個水平較高、時間適中的微重力環(huán)境，應(yīng)用于一系列微重力實驗研究 [2]。 綜上，本文在國內(nèi)需求的牽引下，建立了固體探空火箭從總體規(guī)劃到總體參數(shù)快速設(shè)計、優(yōu)化的方法和流程，為探空火箭初期總體設(shè)計工作提供參考和借鑒。運(yùn)用解耦法對兩種二級探空火箭和進(jìn)行氣動外形優(yōu)化設(shè)計，使用 無量綱加權(quán)法對三級探空火箭和四級探空火箭進(jìn)行統(tǒng)一的氣動外形優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)發(fā)動機(jī)與尾翼的模塊化集成。探空火箭的系列化、模塊化設(shè)計是進(jìn)行體系構(gòu)建的必由之路，確定以發(fā)動機(jī)作為功能模塊進(jìn)行模塊化設(shè)計。 本文對國內(nèi)探空火箭需求進(jìn)行綜合分析。采用序列近似優(yōu)化方法，對單級探空火箭探測 1 進(jìn)行氣動 /發(fā)動機(jī)一體化優(yōu)化，驗證計算模型和優(yōu)化算法的可行性和優(yōu)化效果。型譜覆蓋范圍較廣、模塊化程度較高，體現(xiàn)了較好的經(jīng)濟(jì)效益。氣象火 箭可以在垂直方向上對各種大氣參數(shù)進(jìn)行原位測量，地球物理火箭主要用于了解多種空間物理現(xiàn)象，從而為空間科學(xué)研究提供基礎(chǔ)。概括起來，探空火箭有以下顯著優(yōu)點 [1]： （ 1）在 30km200km 高度范圍內(nèi)可以進(jìn)行原位測量，填補(bǔ)了高空氣球和人造衛(wèi)星探測不到的高度區(qū)域。此時探空火箭可以迅速進(jìn)入任務(wù)狀態(tài)，快速發(fā)射，并可以單站或多站連續(xù)發(fā)射和觀測，還 可與人造衛(wèi)星、高空氣球和地面觀測設(shè)備同步觀測。到目前為止，大部分發(fā)達(dá)國家都非常重視以探空火箭為手段的科學(xué)探測任務(wù)。以白沙導(dǎo)彈靶場為例，在 1959 年 ~1966 年共發(fā)射探空火箭 1530 枚， 1964 年發(fā)射量達(dá) 290 枚。亞洲方面，日本受戰(zhàn)敗后的國際條約的制約，無法發(fā)展進(jìn)攻性武器，于是許多軍工企業(yè)轉(zhuǎn)而發(fā)展類似于探空火箭這樣的項目。日本的 TT500A 微重力火箭計劃，雖然發(fā)射的數(shù)目不多，但還是積累了一些科學(xué)研究資料 [7]。 同時，美國利用戰(zhàn)斧等飛行器，開展了豐富的高層大氣結(jié)構(gòu)和動態(tài)特性研究。 德國的空間環(huán)境探測任務(wù)主要由德國宇航中 心（ DLR）開展，在臨近空間環(huán)境探測方面以中間層和電離層探測為主。 表 歐洲微重力試驗標(biāo)準(zhǔn)試驗單元模塊數(shù)量 型號 材料科學(xué) 流體科學(xué) 生命科學(xué) 燃燒科學(xué) 基礎(chǔ)物理 MiniTEXUS 0 2 0 2 0 TESUX 1 12 0 2 0 MASER 2 16 8 0 1 MAXUS 5 11 6 0 0 小計 8 41 14 4 1 比例 % % % % % 表 歐洲微重力試驗各類試驗單元重量分布 質(zhì)量 材料科學(xué) 流體科學(xué) 生命科學(xué) 燃燒科學(xué) 基 礎(chǔ)物理 小計 比例 ＜ 50kg 1 11 11 0 0 23 % 50~90kg 5 25 25 1 1 57 % ＞ 90kg 1 5 5 3 0 14 亞洲來看，日本探空火箭事業(yè)起步早，成果多。得到廣泛應(yīng)用，是美國發(fā)射數(shù)量最多的探空火箭，共完成 355 次發(fā)射，成功率高達(dá) %。 試驗用途廣。進(jìn)而提高火箭發(fā)射頻率。 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化。 國內(nèi)探空火箭發(fā)展現(xiàn)狀 探空火箭項目是中國空間技術(shù)的起步項目之一，火箭的研制始于 1958 年。利用這些實測數(shù)據(jù)，第 15 頁 我國科技工作者分析研究我國與國際 CIRA86 參考大氣中國區(qū)的差異，編制了中國參考大氣 (地面 ~80km)2020 年版。另外一些火箭作為取樣火箭。 表 國內(nèi)主要探空火箭技術(shù)參數(shù)統(tǒng)計表 代號 級數(shù) 起飛質(zhì)量（ kg） 總長度（ m） 最大直徑（ mm） 飛行頂點高度（ km） 有效載荷（ kg） 試驗用途 HP2 2 331 255 72 40 臨近空間氣象探測 HP3 2 225 205 25 取樣火箭 HP5 1 230 255 23 取樣火箭 第 16 頁 HP6 1 80 3 臨近空間氣象探測 HP8 1 240 255 減速傘在高馬赫數(shù)和高速壓情況下性能試驗 T7 2 1160 10 450 60 25 臨近空間氣象探測 T7A 2 1260 460 115 40 臨近空間氣象探測 T7A（ S1） 2 1166 460 76 生物高空飛行試驗 T7A(Y1) 2 1280 460 100 電離層參數(shù)測量 T7A(Y5) 3 1345 460 261 固體發(fā)動機(jī)點火系統(tǒng)高空性能試驗 TK1 1 65 150 75 3 臨近空間氣象探測 TK5 1 65 4 122 75 3 臨近空間氣象探測 TJ1A 2 800 460 50 核試驗取樣 TJ2 1 383 360 17 核試驗取樣 ZN1 150 68 3 臨近空間氣象探測 ZN3 2 285 250 148 25 高層大氣探測 TY3 1 1049 456 225 50 微重力實驗 第 17 頁 TY3C 1 1105 456 201 50 子午工程科學(xué)探測 TY3E 1 200 60 空間環(huán)境垂直探測 TY3G 2 1100 456 350 電離層物理實驗 TY4 1 150 204 80 2 臨近空間氣象探測 TY4A 1 150 203 80 臨近空間氣象探測 TY4B 1 137 137 204 80~100 臨近空間氣象探測 TY6 2 5414