【正文】 750 556 微重力實驗 從上表可以看出，國內(nèi)各系列探空火箭可發(fā)射 3~70kg 載荷，飛行高度大多在30~260km 范圍。歸納來說，主要存在以下差距： 頂層規(guī)劃有待完善。在火箭設計中，還未能將系列化、通用化、標準化的理念貫徹始終，因此造成費用較高、保障難度較大，難以作為試驗消耗品使用。 探空火箭型譜及規(guī)劃方法 探空火箭主要由有效載荷和運載火箭所組成。 國外典型探空火箭型譜 美國 NASA 經(jīng)過長時間的發(fā)展，積累了大量的探空火箭研制技術(shù)和發(fā)射經(jīng)驗。后來逐步在英國科學研究委員會的領導下，提出了英國國家空間計劃，要求將更重的有效載荷送入更高的高度。由此可見，模塊化的設計方法是滿足產(chǎn)品需求多樣化、個性化的有效手段，在一定程度上解決了多樣化需求和有限的成本投入之間的矛盾。 （ 2） 哈佛學派 1997 年．哈佛大學商學院的兩位學者卡麗斯 2020年，他們出版了《設計規(guī)則：模塊化的力量》一書，業(yè)內(nèi)公認此書為一部具有里程 碑意義的模塊化理論著作，在他們二人的努力下，業(yè)界逐漸形成了“哈佛學派”。1997 年， 在通產(chǎn)省的支持下，成立了信息化研究會及企業(yè)研究會，繼續(xù)模塊化理論的研究與模塊信息一體化發(fā)展的可能實現(xiàn)途徑。設計者在進行設計工作時往往手足無措，出現(xiàn)設計目標模糊，設計過第 23 頁 程混亂的問題。 Suh 教授及其同事在麻省理工學院和其它企業(yè)中 積累了大量的工程經(jīng)驗，他們以此為基礎，分離出一些取得成功的通用要素，并將這些要素進行歸納，總結(jié)了12 條基本公理。設計活動的過程通過四個域之間的某種映射進行和反映。 2020 年， Nam P. Suh出版了專著《公理化設計：進展與應用》（ Axiomatic Design: Advances and Application），進一步系統(tǒng)拓展并推廣了理論體系中的內(nèi)涵和外延 [31]。主要研究的內(nèi)容有：楊培林等將公理化設計理論與并行設計思想相結(jié)合，將產(chǎn)品的設計過程置入并行設計框架，提出了并行設計的實施方案 [36]；張瑞紅將獨立性公理和信息公理與穩(wěn)健設計相結(jié)合，對產(chǎn)品進行穩(wěn)健優(yōu)化設計 [37]；陳小川等將公理化設計理論體系與多種現(xiàn)代設計方法相結(jié)合，進行并行協(xié)同研究 [38]，初步構(gòu)建面向成本設計的成本估算框架 [39]；吳斌等從公理化設計入手，再給出產(chǎn)品定義需求的基礎上，使用面向?qū)ο蟮姆椒?，利?UML 建立產(chǎn)品需求系統(tǒng)框架，研究其關(guān)鍵技術(shù) [40]；宋慧軍等提出了某些新的集成概念，將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和公理化理論體系中的原有概念進行進一步挖掘和分析 [41]。在探空火箭型譜規(guī)劃中引入公理化設計方法，將是一種有意第 26 頁 義的探索。 探空火箭系統(tǒng)的眾多分系統(tǒng)中，動力系統(tǒng)是關(guān)鍵要素之一，它為探空火箭提供動力，是運載任務的基礎，會直接影響探空火箭的性能甚至探測任務的成敗。一方面探空火箭作為無控火箭需要依賴氣動穩(wěn)定力矩保持飛行穩(wěn)定，另一方面氣動學科與彈道、發(fā)動機學科耦合緊密，三 者共同對探空火箭的性能產(chǎn)生影響。 第 27 頁 第二章對國內(nèi)探空火箭試驗與研究需求進行綜合分析，從探測的實際需求出發(fā)，對國內(nèi)探空火箭的探測需求、探測高度、載荷質(zhì)量等進行歸納、總結(jié)、分析，確立 0~1500km的探測目標。 第四章建立探空火箭彈道、氣動計算模型，將序列近似優(yōu)化方法引入火箭總體方案優(yōu)化設計，以單級探空火箭探測 1 為對象，進行氣動 /發(fā)動機一體化優(yōu)化，驗證計算模型和優(yōu)化方法的可行性和優(yōu)化效果。其需求主要包括試驗任務和基礎研究兩方面。 試驗任務需求 探空火箭可為多種不同類型飛行器的飛行試驗任務提供環(huán)境探測支撐。高速再入飛行器飛行試驗與常規(guī)飛行試驗相比，除常規(guī)氣象保障要求外，對飛行試驗落區(qū)氣象保障提出了更高要求：需要測量飛行再入段彈下點第 29 頁 30~100km高度范圍內(nèi)的大氣溫度、密度、壓強、風向、風速等氣象要素，用于研究高速再入飛行器氣動 控制的天地差異性，同時需要掌握臨近空間氣象和高空環(huán)境等不同因素對飛行性能的影響規(guī)律。建立大氣模型需研究長時間序劃、大空間范圍內(nèi)的探測數(shù)據(jù)，尋找特定區(qū)域中高層大氣環(huán)境要素日變化、月變化乃至季節(jié)變化規(guī)律，影響天氣系統(tǒng)分布規(guī)律及季節(jié)變化特性。根據(jù)電磁特性，大氣分為電離層（ 60~ 1000km）、磁層 (1000km以上 )[14] [15]。更重要的是，探空火箭研制成本較低，操作方便，發(fā)射簡單。②對空間飛行器定軌系統(tǒng)的影響：電波信號頻率發(fā)生偏移。 因此，需要對電離層的電子密度、碰撞頻率、中性成分、離子成分、電離層溫度等進行探測。 （ 3） 空間高能粒子輻照 空間高能粒子主要來自地球輻射、太陽宇宙線和銀河宇宙線，其變化與太陽活動密切相關(guān)。③載人航天工程中，航天員的生命更是重中 之重，而各種已知甚至未知的的粒子輻射還沒有完全有效的措施預防，給航天員身體造成的損害有可能是長期的，甚至致命的。在 l00~200km，大氣狀況受到太陽活動的強烈影響，各個參數(shù)變化很大。因此，需要對高層大氣的成分、密度進行探測。 微重力研究 第 33 頁 微重力科學研究的范圍包括微重力材料科學和微重力流體科學，有些涉及到空間生命科學 [18]。因此，只要在箭頭單獨飛行時，其飛行高度足夠高 (一般認為 100km 以上 )、轉(zhuǎn)動角速度足夠小 (例如 ~1r/min)，則在箭體頭部內(nèi)部距其質(zhì)心足夠近 (例如距質(zhì)心 ~)的范圍內(nèi)微重力水平可望達到 104g0量級。 表 各種微重力試驗手段概述 試驗類型 非軌道方法 軌道方法 試驗手段 高塔 落管投放 高空氣球 投放 飛機作拋 物線飛行 探空火箭 慣性飛行 人造衛(wèi)星 載人飛船 航天飛機 空間站 微重力水平（ g0） 106~103 105~103 103~101 106~104 107~105 105~103 107~103 第 34 頁 微重力持續(xù)時間 10 秒 90 秒 60 秒 5~14 分鐘 幾天 ~幾年 5~15 天 長期 微重力火箭的主要技術(shù)指標是箭頭質(zhì)量，微重力實驗時間和微重力值。從圖可見：在彈道頂點高度 100~300km 的范圍內(nèi)，隨彈道頂點高度的上升，微重力試驗時間的增長十分明顯；在彈道頂點高度大于300km 的范圍內(nèi)，隨彈道頂點高度的上升，微重力試驗時間的增長變慢。因此，其技術(shù)難度，研制和發(fā)射的成本很高，日本的 TRIA 火箭，從其運載能力來說，完全可以作為長時間探空火箭，但日本寧可將箭頭質(zhì)量增加到 1500kg，飛行高度確定為 290km，只把它作“短時間探空火箭”來使用，究其原因，恐與“長時間探空火箭”技術(shù)難度大、研制和發(fā)射成本高有關(guān)。 空間新技術(shù)驗證 隨著空間科學研究的不斷深入和人類探測領域的進一步擴展，許多新技術(shù)應第 36 頁 運而生，有些技術(shù)的應用環(huán)境是地面無法模擬的。 隨著中國綜合國力的日漸強盛和導彈航天事業(yè)的突飛猛進，西方一些發(fā)達國家進一步加強了對我國的技術(shù)封鎖，尤其在導彈航天方面更是如此。 需求綜合分析 綜合上述分析，探空火箭可分為兩類，一類針對飛行器飛行試驗等任務需求，以氣象探測為主，發(fā)展 100km 以內(nèi)探測高度的氣象探測火箭。通過對任務特點的分析，提出不同任務對探空火箭的主要性能指標要求，為探空火箭型譜規(guī)劃奠定基礎。其中，系列化的目的，在于解決產(chǎn)品種類的有限性和使用需求的廣泛性之間的矛盾，用較少的品種和規(guī)格的產(chǎn)品來最大限度、且較經(jīng)濟合理地滿足需求 [19]，探空火箭的系列化規(guī)劃至關(guān)重要，便于適應運載質(zhì)量和運載高度的不同要求。采用獨立性公理方法，對型譜的發(fā)動機組成進行分析，得到設計功能相互獨立的準耦合設計模型，指導發(fā)動機方案選擇。模塊高度集成了已有的知識經(jīng)驗，代表一種優(yōu)良的功能，在產(chǎn)品設計中使用這些成熟的模塊，可以大幅降低設計風險，提高可靠性。模塊化后，設計任務很自然的分解成幾個部分，這就為不同團隊的分工合作提供了可能，只要團隊間規(guī)范合作形式和彼此之間的信息、物質(zhì)、能量接口，就可能實現(xiàn)更為并行化的研發(fā)。基于大氣模型建立、空間科學探測、微重力研究、空間新技術(shù)驗證的需求，發(fā)展一類 600km 以第 40 頁 內(nèi)探測高度的空間環(huán)境探測火箭。制造模塊以制造工藝為落腳點，主要考慮加工制造中的工藝環(huán)節(jié)，將某些零部件根據(jù)制造加工中的工藝要求進行人工合成，人為合成符合加工要求的裝配模塊 [22]?？稍O計一系列發(fā)動機，通過不同發(fā)動機的組合，構(gòu)成多種多級火箭。 公理化設計理論及其數(shù)學模型 第 42 頁 基本概念 （ 1）域 域是整個公理化設計體系中的基礎概念，公理化設計理論體系通過域來描述設計活動。 用戶域表示用戶想要達到的效果，或者說用戶要求產(chǎn)品具備的屬性。 4）過程域 過程域是結(jié)構(gòu)域的進一步表達，它根據(jù)物理域中的設計參數(shù)制定相應的工藝過程以及工藝過程變量。如前文所述，左邊的域是“ WHAT”域，右邊的域是“ HOW”域，設計者需要將某個域從抽象概念或總體設計至詳細設計參數(shù)從頂至底展開，從而形成不同的層級，這個過程與價值工程的功能分析類似。以此類推，不斷進行 Zigzagging 映射，直至所有子問題全部解決為止。 功能域與物理域之間的 Zigzagging 映射示意如圖 所示。 進行 Zigzagging 映射的目的，在于更加有效合理地建立相鄰兩域之間的關(guān)系，從而根據(jù)設計公理對其進行判定和改進。這就要求設計者選擇的設計參數(shù)不但要滿足功能要求，還要盡可能使各個功能要求互相獨立。以功能域和物理域為例，功能域包含所有設計需求的第 46 頁 集合，構(gòu)成功能域中的 FR 向量，物理域包含所有設計參數(shù)的集合，構(gòu)成物理域中的 DP 向量。設計矩陣 A 可表示為 1 1 1 2 12 1 2 2 21......[].. . .. . .. . .. ....yyh h yA A AA A AAA A A????????? () 式中 iij jFRA DP??? () 則 1{}hFR? 中各元素可表示為 1 1 , 2 , . . . ,yi i j jjF R A D P i h???? () 式 ()可 以表示為微分形式 { } [ ]{ }dFR A dD P? () 舉例說明，假設在功能域中有三個功能要求 FR FR FR3，物理域中有三個設計參數(shù) DP DP DP3，它們之間的設計矩陣為表 所示 表 設計矩陣舉例 第 47 頁 DP1 DP2 DP3 FR1 A11 A22 0 FR2 A21 0 0 FR3 A31 A32 A33 矩陣中的元素代表 DP 是否對 FR 有影響， 0 代表無影響，非零值 Aij代表有影響。 （ 1） h=y 以 h=y=3 為例，如若設計矩陣為對角陣，如圖 所示，那么所有的功能要求可以通過設計參數(shù)達到滿足，并且彼此之間互不影響，滿足獨立性公理，這樣的設計稱之為非耦合設計。那么會有兩種情況可能出現(xiàn)：或者功能要求無法滿足，或者設計成為一個耦合設計。那么也會有兩種情況可能出現(xiàn)：冗余設計或者耦合設計。 若人為確定 DP1 和 DP3，將 DP DP DP5 作為設計的變化量，則新的方程為 第 50 頁 414222 2551 0 020ccDPFR ADPFR A ADP??? ? ? ? ???? ? ? ???? ? ? ? ???? () 式 ()中， FR1c 和 FR2c 分別表示 DP1和 DP3確定后新的功能要求，可看出，功能要求 FRs 的數(shù)量仍然小于設計參數(shù) DPs 的數(shù)量，是一個非耦合的冗余設計。在準耦合設計中，要以功能要求和設計參數(shù)之間的映射關(guān)系 為基礎，以一定的程序確定設計參數(shù)，對于相對獨立的，和其他功能要求之間互不影響或影響弱的，可以根據(jù)經(jīng)驗先確定，然后確定那些只對本身功能有影響的設計參數(shù)和對其他多種功能要求有影響的設計參數(shù)。本文總結(jié)得到幾個推論如下，是對 節(jié)相關(guān)內(nèi)容的總結(jié)陳述，作為模塊化設計的理論基礎。 3） 理想設計：當設計參數(shù) DPs 的數(shù)目小于功能要求 FRs 的數(shù)目時，表現(xiàn)出的設計形式有兩種情況：耦合設計，或功能要求不能完全滿足。 4） 設計解耦中的方案更新：設計解耦意味著功能要求的改變，當功能要求改變后，必須更新原來的設計方案，以滿足新的設計要求。此時，各個功能要求 FRs 之間存在相互影響的耦合關(guān)系。所以，每個設計參數(shù)對應著產(chǎn)品第 i 層上的一個模塊，令第i 層上的模塊為 Mi(i=1,2,… ,n)，則： 111122223333111......1nnnnFRAMFRAMMFRAMFRA???????? ???? ???? ???? ????? ???? ???? ???????????? () 2）設計矩陣為三角陣時，設計方程如下： 1 11 12 21 22 23 31 32 33 3120 0 ... 00 ... 0... 0... ... ... ... ... 0 ...0 ...n n n nn nFR A D P