【正文】 此時(shí)，各個(gè)功能要求 FRs 之間存在相互影響的耦合關(guān)系。 3） 理想設(shè)計(jì)：當(dāng)設(shè)計(jì)參數(shù) DPs 的數(shù)目小于功能要求 FRs 的數(shù)目時(shí)，表現(xiàn)出的設(shè)計(jì)形式有兩種情況：耦合設(shè)計(jì)，或功能要求不能完全滿足。在準(zhǔn)耦合設(shè)計(jì)中，要以功能要求和設(shè)計(jì)參數(shù)之間的映射關(guān)系 為基礎(chǔ)，以一定的程序確定設(shè)計(jì)參數(shù)，對于相對獨(dú)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(yàn)先確定，然后確定那些只對本身功能有影響的設(shè)計(jì)參數(shù)和對其他多種功能要求有影響的設(shè)計(jì)參數(shù)。那么也會(huì)有兩種情況可能出現(xiàn)：冗余設(shè)計(jì)或者耦合設(shè)計(jì)。 （ 1） h=y 以 h=y=3 為例，如若設(shè)計(jì)矩陣為對角陣，如圖 所示，那么所有的功能要求可以通過設(shè)計(jì)參數(shù)達(dá)到滿足，并且彼此之間互不影響，滿足獨(dú)立性公理，這樣的設(shè)計(jì)稱之為非耦合設(shè)計(jì)。以功能域和物理域?yàn)槔δ苡虬性O(shè)計(jì)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(shè)計(jì)參數(shù)的集合，構(gòu)成物理域中的 DP 向量。 進(jìn)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(shè)計(jì)公理對其進(jìn)行判定和改進(jìn)。以此類推，不斷進(jìn)行 Zigzagging 映射，直至所有子問題全部解決為止。 4）過程域 過程域是結(jié)構(gòu)域的進(jìn)一步表達(dá)，它根據(jù)物理域中的設(shè)計(jì)參數(shù)制定相應(yīng)的工藝過程以及工藝過程變量。 公理化設(shè)計(jì)理論及其數(shù)學(xué)模型 第 42 頁 基本概念 （ 1）域 域是整個(gè)公理化設(shè)計(jì)體系中的基礎(chǔ)概念，公理化設(shè)計(jì)理論體系通過域來描述設(shè)計(jì)活動(dòng)。制造模塊以制造工藝為落腳點(diǎn)，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(jìn)行人工合成，人為合成符合加工要求的裝配模塊 [22]。模塊化后，設(shè)計(jì)任務(wù)很自然的分解成幾個(gè)部分，這就為不同團(tuán)隊(duì)的分工合作提供了可能，只要團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)更為并行化的研發(fā)。采用獨(dú)立性公理方法，對型譜的發(fā)動(dòng)機(jī)組成進(jìn)行分析，得到設(shè)計(jì)功能相互獨(dú)立的準(zhǔn)耦合設(shè)計(jì)模型，指導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)方案選擇。通過對任務(wù)特點(diǎn)的分析，提出不同任務(wù)對探空火箭的主要性能指標(biāo)要求，為探空火箭型譜規(guī)劃奠定基礎(chǔ)。 隨著中國綜合國力的日漸強(qiáng)盛和導(dǎo)彈航天事業(yè)的突飛猛進(jìn)，西方一些發(fā)達(dá)國家進(jìn)一步加強(qiáng)了對我國的技術(shù)封鎖，尤其在導(dǎo)彈航天方面更是如此。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(yùn)載能力來說，完全可以作為長時(shí)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(shí)間探空火箭”來使用，究其原因，恐與“長時(shí)間探空火箭”技術(shù)難度大、研制和發(fā)射成本高有關(guān)。 表 各種微重力試驗(yàn)手段概述 試驗(yàn)類型 非軌道方法 軌道方法 試驗(yàn)手段 高塔 落管投放 高空氣球 投放 飛機(jī)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(jī) 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(shí)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(biāo)是箭頭質(zhì)量，微重力實(shí)驗(yàn)時(shí)間和微重力值。 微重力研究 第 33 頁 微重力科學(xué)研究的范圍包括微重力材料科學(xué)和微重力流體科學(xué)，有些涉及到空間生命科學(xué) [18]。在 l00~200km，大氣狀況受到太陽活動(dòng)的強(qiáng)烈影響，各個(gè)參數(shù)變化很大。 （ 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(dòng)密切相關(guān)。②對空間飛行器定軌系統(tǒng)的影響：電波信號(hào)頻率發(fā)生偏移。根據(jù)電磁特性，大氣分為電離層（ 60~ 1000km）、磁層 (1000km以上 )[14] [15]。高速再入飛行器飛行試驗(yàn)與常規(guī)飛行試驗(yàn)相比，除常規(guī)氣象保障要求外，對飛行試驗(yàn)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(diǎn)第 29 頁 30~100km高度范圍內(nèi)的大氣溫度、密度、壓強(qiáng)、風(fēng)向、風(fēng)速等氣象要素，用于研究高速再入飛行器氣動(dòng) 控制的天地差異性，同時(shí)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。其需求主要包括試驗(yàn)任務(wù)和基礎(chǔ)研究兩方面。 第 27 頁 第二章對國內(nèi)探空火箭試驗(yàn)與研究需求進(jìn)行綜合分析，從探測的實(shí)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(jìn)行歸納、總結(jié)、分析，確立 0~1500km的探測目標(biāo)。 探空火箭系統(tǒng)的眾多分系統(tǒng)中，動(dòng)力系統(tǒng)是關(guān)鍵要素之一，它為探空火箭提供動(dòng)力，是運(yùn)載任務(wù)的基礎(chǔ)，會(huì)直接影響探空火箭的性能甚至探測任務(wù)的成敗。主要研究的內(nèi)容有：楊培林等將公理化設(shè)計(jì)理論與并行設(shè)計(jì)思想相結(jié)合，將產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程置入并行設(shè)計(jì)框架，提出了并行設(shè)計(jì)的實(shí)施方案 [36]；張瑞紅將獨(dú)立性公理和信息公理與穩(wěn)健設(shè)計(jì)相結(jié)合，對產(chǎn)品進(jìn)行穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì) [37]；陳小川等將公理化設(shè)計(jì)理論體系與多種現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法相結(jié)合，進(jìn)行并行協(xié)同研究 [38]，初步構(gòu)建面向成本設(shè)計(jì)的成本估算框架 [39]；吳斌等從公理化設(shè)計(jì)入手，再給出產(chǎn)品定義需求的基礎(chǔ)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(jìn)行進(jìn)一步挖掘和分析 [41]。設(shè)計(jì)活動(dòng)的過程通過四個(gè)域之間的某種映射進(jìn)行和反映。設(shè)計(jì)者在進(jìn)行設(shè)計(jì)工作時(shí)往往手足無措，出現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)模糊，設(shè)計(jì)過第 23 頁 程混亂的問題。 2020年，他們出版了《設(shè)計(jì)規(guī)則：模塊化的力量》一書，業(yè)內(nèi)公認(rèn)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(xué)派”。由此可見，模塊化的設(shè)計(jì)方法是滿足產(chǎn)品需求多樣化、個(gè)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。 國外典型探空火箭型譜 美國 NASA 經(jīng)過長時(shí)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(yàn)。在火箭設(shè)計(jì)中，還未能將系列化、通用化、標(biāo)準(zhǔn)化的理念貫徹始終，因此造成費(fèi)用較高、保障難度較大，難以作為試驗(yàn)消耗品使用。 表 國內(nèi)主要探空火箭技術(shù)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表 代號(hào) 級(jí)數(shù) 起飛質(zhì)量（ kg） 總長度（ m） 最大直徑（ mm） 飛行頂點(diǎn)高度（ km） 有效載荷（ kg） 試驗(yàn)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(yàn) 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(yàn) 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(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)高空性能試驗(yàn) 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(yàn)取樣 TJ2 1 383 360 17 核試驗(yàn)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(shí)驗(yàn) 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(shí)驗(yàn) 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 750 556 微重力實(shí)驗(yàn) 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。利用這些實(shí)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。 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化。 試驗(yàn)用途廣。 表 歐洲微重力試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)單元模塊數(shù)量 型號(hào) 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(jì) 8 41 14 4 1 比例 % % % % % 表 歐洲微重力試驗(yàn)各類試驗(yàn)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(jì) 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。 同時(shí)，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(dòng)態(tài)特性研究。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(xiàng)目。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)。概括起來，探空火箭有以下顯著優(yōu)點(diǎn) [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。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。 本文對國內(nèi)探空火箭需求進(jìn)行綜合分析。運(yùn)用解耦法對兩種二級(jí)探空火箭和進(jìn)行氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)，使用 無量綱加權(quán)法對三級(jí)探空火箭和四級(jí)探空火箭進(jìn)行統(tǒng)一的氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與尾翼的模塊化集成。微重力火箭可以提供一個(gè)水平較高、時(shí)間適中的微重力環(huán)境，應(yīng)用于一系列微重力實(shí)驗(yàn)研究 [2]。 （ 4）研制費(fèi)用低，研制周期短。 70 年代中后期，年發(fā)射量可以達(dá)到 80 枚左右。 （ 2） 試驗(yàn)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]。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。后續(xù)的黑雁系列探空火箭采用多級(jí)推進(jìn)、模塊化設(shè)計(jì)方案，火箭一二三四級(jí)可供選用，更加靈活、可靠，是目前使用最為廣泛的探空火箭。 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(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、用途多元化三個(gè)方面。 （ 1） 發(fā)射頻度 至 20 世紀(jì)末，累計(jì)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]。伴隨核試驗(yàn)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(hào)火箭。針對相關(guān)科研試驗(yàn)需求，國內(nèi)先后研制了和平、探空、挺進(jìn)、織女、天鷹等型號(hào)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?，F(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。因而，需要研制更強(qiáng)大的發(fā)動(dòng)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(jì)劃中發(fā)揮了重要的作用。鮑德溫和金它們被稱為“日本學(xué)派”。后經(jīng)過 Suh 教授團(tuán)隊(duì)的不懈努力和大力推廣，形成了產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段最重要的“獨(dú)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(jì)方法和理念 —— 公理化設(shè)計(jì)的概念誕生了。 2020 年， J W Melvin ， N P Suh 對公理化設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)方法 [34]。 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。故本文對系列化探空火箭型譜進(jìn)行氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步完善型譜性能。 第五章使用解 耦法對兩種二級(jí)探空火箭探測 2 和探測 3 進(jìn)行氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)，使用無量綱加權(quán)法對三級(jí)探空火箭探測 4 和四級(jí)探空火箭探測 5 進(jìn)行統(tǒng)一的氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)。 臨近空間大氣環(huán)境要素是臨近空間飛行器設(shè)計(jì)研制、飛行試驗(yàn)、考核定型等階段不可缺少的重要輸入條件。 參考大氣模型構(gòu)建需要原始觀探