【正文】 ed 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(yè) 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(yè) 第一章 緒論 探空火箭概述 探空火箭以火箭發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，將有效載荷送入預(yù)定高度，進(jìn)行原位探測(cè)、試驗(yàn)。 （ 3）操作方便，發(fā)射簡(jiǎn)單。 （ 1） 發(fā)射頻度 據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國(guó) NASA 共有 39 個(gè)發(fā)射場(chǎng)，一直保持著非常大的發(fā)射量 [4]。如日本三陸町氣象火箭探測(cè)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。 表 NASA60 年代探空火箭部分實(shí)驗(yàn)情況統(tǒng)計(jì) 時(shí)間 次數(shù) 探測(cè)高度 km 探測(cè)項(xiàng)目 試驗(yàn)結(jié)果 ~3 2 24 天體項(xiàng)目研究 失敗 ~ 2 222 天體項(xiàng)目研究 失敗 第 9 頁(yè) ~27 2 85~91 電離層 成功 ~21 3 165~180 高空大氣成分 成功 ~ 10 30~256 天體項(xiàng)目研究 部分成功 ~20 4 218~256 電離層 成功 ~ 5 322~415 電離層 成功 1 980 電離層 成功 1 1160 磁場(chǎng) 成功 ~ 2 759~867 電離層 部分成功 ~ 7 152~207 微重力 部分成功 ~ 5 165~207 磁場(chǎng) 成功 ~ 5 80~211 氣輝 部分成功 ~ 2 212~236 電離層 成功 ~28 2 192~203 日冕觀測(cè)儀 成功 1 1610 電子分光 成功 ~ 7 188~207 大氣成分 成功 ~ 8 155~201 電子密度 成功 ~ 11 90~180 極光 成功 第 10 頁(yè) ~ 6 140~150 地磁 成功 1 865 氣輝 成功 1 1015 離子光譜 成功 ~ 3 119~122 大氣采樣 成功 ~ 2 177~200 X 射線 成功 1 1065 射電天文學(xué) 成功 ~ 10 76~88 電離層 成功 近 20 年來(lái)，美國(guó)探空火箭用于地球空間科學(xué)探測(cè)研究的有百余枚，用于天體物理學(xué)的有 27 枚，用于太陽(yáng)風(fēng)研究的有 24 枚。 美國(guó)是空間探測(cè)大國(guó)，其使用的型號(hào)種類居世界首位，主要使用的探空火箭第 12 頁(yè) 有 Arcas 系列（ 52km~100km）、 Loki 系列（ 50km~100km）和黑雁系列（ 70~1500km）。 系列化程度高。 用途多元化。 （ 2） 試驗(yàn)用途 氣象火箭是最簡(jiǎn)單最常用的火箭類型，因而我國(guó)研究的也較早，包括探空七號(hào)、探空七號(hào)甲 (T7A)、織女一號(hào)。 第 18 頁(yè) 圖 國(guó)內(nèi)幾種典型的探空火箭 根據(jù)上述分析，我國(guó)探空火箭起步晚，需求牽引少。國(guó)內(nèi)已發(fā)射探空火箭近 300 次，但相比國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家千余次的發(fā)射數(shù)量，差距很大。采用多級(jí)推進(jìn)、模塊化設(shè)計(jì)方案，同時(shí)使配套的有效載荷同步實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化模塊化，火箭一 二三四級(jí)可供選用，更加靈活、可靠。并從多方面總結(jié)了模塊化與經(jīng)濟(jì)制度發(fā)展變革的關(guān)系 及其內(nèi)在運(yùn)動(dòng)機(jī)理。經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)研究所的池田、慶應(yīng)義塾大學(xué)的國(guó)領(lǐng)等學(xué)者分析了日本汽車工業(yè)的優(yōu)勢(shì)和競(jìng)爭(zhēng)力，它們認(rèn)為日本汽車工業(yè)中的核心企業(yè)如豐田和其他一些零部件供應(yīng)商一同創(chuàng)建了十分高效的模塊化設(shè)計(jì)溝通機(jī)制，豐田公司提供基礎(chǔ)工業(yè)界面和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，其他供應(yīng)商可并行開(kāi)展多種設(shè)計(jì)工作，豐田公司保留最終決策權(quán)。 人類在長(zhǎng)期的生產(chǎn)生活中，需要進(jìn)行各種各樣的設(shè)計(jì)工作，而設(shè)計(jì)就是從需求到產(chǎn)品的整個(gè)過(guò)程，在不斷地實(shí)踐過(guò)程中，人類積累了大量的方法、技能、工藝等設(shè)計(jì)和制造的途徑，它們統(tǒng)稱為“經(jīng)驗(yàn)”，“經(jīng)驗(yàn)”在一定程度上反映了人類對(duì)客觀事物的把握。國(guó)外的一些研究情況如下： Nam P. Suh建立了公理化設(shè)計(jì)的基本原理和基本框架，提出了 設(shè)計(jì)的一般過(guò)程以及簡(jiǎn)單的應(yīng)用實(shí)例 [25]； D. Lindholm 等人將通過(guò)公理化理論體系對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中的種種決策問(wèn)題進(jìn)行探究，在設(shè)計(jì)分解的過(guò)程中不斷推理，得到設(shè)計(jì)決策樹(shù) [26]； Mats Nordlund 等通過(guò)設(shè)想若干典型案例研究了公理化設(shè)計(jì)理論在商業(yè)上的應(yīng)用實(shí)踐發(fā)展藍(lán)圖 [27]；Vigain Harutunian 等在公理化設(shè)計(jì)理論的基礎(chǔ)上，引入 QFD 和并行設(shè)計(jì)理論，綜合得到設(shè)計(jì)的決策系統(tǒng) [28]； 對(duì)公理化設(shè)計(jì)進(jìn)行了軟件的實(shí)現(xiàn)，構(gòu)建系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型和控制模型 [29]； 等建立了包含復(fù)雜產(chǎn)品模塊化和供應(yīng)鏈協(xié)同設(shè)計(jì)過(guò)程模型，提出整數(shù)規(guī)劃模型來(lái)描述系統(tǒng)的行為 [30]； Nicola Cappetti研究了某型號(hào)電池在項(xiàng)目實(shí)施階段控制點(diǎn)的假設(shè)，將公理化設(shè)計(jì)方法與自由時(shí)差和總時(shí)差相結(jié)合，指導(dǎo)設(shè)計(jì)者選擇總體方案。但國(guó)內(nèi)進(jìn)行應(yīng)用研究的還不多，應(yīng)用范圍還很有限。故本文以發(fā)動(dòng)機(jī)作為核心模塊構(gòu)建系列化探空火箭型譜。對(duì)獨(dú)立性公理進(jìn)行研究和探討，建立其數(shù)學(xué)模型，得到公理化設(shè)計(jì)理論體系中幾個(gè)基本的推論。 探空火箭任務(wù)需求具有多樣性，不同的任務(wù)需求為探空 火箭設(shè)計(jì)提出了不同的要求。因此，需要進(jìn)行空間環(huán)境探測(cè)試驗(yàn) (100km)，以保證空間飛行器試 驗(yàn)正常、順利進(jìn)行。其中，利用地面雷達(dá)進(jìn)行地基遙感探測(cè)，其作用距離相對(duì) 有限，衛(wèi)星搭載方式機(jī)會(huì)相對(duì)受限。④對(duì)空間飛行器電源系統(tǒng)的影響：電流泄露和弧光放電。②太陽(yáng)出現(xiàn)大耀斑時(shí)，會(huì)發(fā)出大量的高能帶電粒子，即太陽(yáng)宇宙線，地球周圍可明顯觀測(cè)到。在 600~1000km以上，大氣的主要物質(zhì)組成是氫 和氦 [17]。這就是說(shuō)，在海拔高度 100km 以上的高空，大氣極其稀薄，在那里運(yùn)動(dòng)的物體 (如探空火箭的頭部 )所受到 的空氣動(dòng)力與其重力之比是一個(gè)小量。國(guó)外 70 年代研制的“短時(shí)間探空火箭”箭頭質(zhì)量一般為 350kg左右， 80 年代后期達(dá)到 390~450kg，“長(zhǎng)時(shí)間探空火箭”的箭頭質(zhì)量則要大得多，瑞典的 MAXUS 為 700kg。故本文只研究“短時(shí)間微重力火箭”。那么，正式任務(wù)前的飛行驗(yàn)證就至關(guān)重要，通過(guò)探空火箭獲取一定飛行條件下的飛行數(shù)據(jù)，將為其在空間飛行器上的進(jìn)一步應(yīng)用提供基礎(chǔ)，進(jìn)而加強(qiáng)正式飛行 任務(wù)時(shí)的保障。自然的，對(duì)火箭的要求更高，需要探測(cè)的高度更高，跨度更大。通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)，構(gòu)成型譜，從中選擇構(gòu)成不同的產(chǎn)品，滿足不同的需求。 根據(jù) 節(jié)的需求分析，將探空火箭根據(jù)探測(cè)高度的不同，劃分為三類。同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)在探空火箭成本構(gòu)成中也占較大比例。域的相關(guān)結(jié)構(gòu)如圖 所示，相鄰的兩個(gè)域之間存在著相互映射的過(guò)程關(guān)系，左邊的域表示“需要完成的任務(wù)或功能（ WHAT） ”，而右邊的域表示“實(shí)現(xiàn)完成任務(wù)或功能的方法、手段、策略（ HOW） ”[24]。故公理化設(shè)計(jì)提供了一個(gè)典型性的框架，使所有的設(shè)計(jì)具有普遍意義。在確定第 i 層設(shè)計(jì)參數(shù) DPs 之前，無(wú)法直接通過(guò)第 i 層功能需求確定第（ i+1）層功能需求。 3）獨(dú)立性公理 獨(dú)立性公理是公理化設(shè)計(jì)理論體系中最重要的基本設(shè)計(jì)公理。 []hyA? 即為設(shè)計(jì)矩陣。 第 48 頁(yè) 圖 設(shè)計(jì)矩陣為三角陣 如若設(shè)計(jì)矩陣為一般陣，如圖 所示，這樣的設(shè)計(jì)稱之為耦合設(shè)計(jì)，它不滿足獨(dú)立性公理，它無(wú)法保證產(chǎn)品能夠滿足預(yù)定的要求，也就不是理想的設(shè)計(jì)。若人為確定 DP DP DP5，將 DP1 和 DP3 作為設(shè)計(jì)的變化量，則新的設(shè)計(jì)方程為 1 1 1 3 12 1 2 3 31 []2 aaF R A A D PF R A A D P? ? ? ??? ? ? ?? ? ? ? () 式 ()中， FR1a 和 FR2a 分別表示 DP DP DP5確定后的新的功能要求，可以看 出，設(shè)計(jì)矩陣為一般陣，是一個(gè)耦合設(shè)計(jì)。 獨(dú)立性公理的幾個(gè)推論 獨(dú)立性公理是設(shè)計(jì)的基本理論。以上者兩種情況都不是理想的設(shè)計(jì)狀態(tài)。 分別針對(duì)以上兩種設(shè)計(jì)矩陣的形式，討論產(chǎn)品模塊的組成方式和數(shù)學(xué)模型。按照獨(dú)立性公理，理想設(shè)計(jì)應(yīng)是功能要求之間耦合性弱的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)矩陣對(duì)應(yīng)以下兩種結(jié)構(gòu)形式： 第 52 頁(yè) （ 1）對(duì)角陣 此時(shí)，各個(gè)功能要求 FRs 之間是完全獨(dú)立的，不存在相互影響的耦合關(guān)系。 2） 設(shè)計(jì)解耦：如果設(shè)計(jì)方案中功能要求互相耦合，互相干擾。獨(dú)立性公理并不是要求每個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)只滿足一個(gè)功能要求，而是要力求達(dá)到一個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)能夠相互獨(dú)立地滿足所有的功能要求，這是最佳設(shè)計(jì)的體現(xiàn)。若 A31和 A32均不為 0，那么設(shè)計(jì)是一個(gè)耦合設(shè)計(jì)。 映射關(guān)系不同反映了設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，表現(xiàn)為設(shè)計(jì)矩陣的不同形式。 獨(dú)立性公理的數(shù)學(xué)描述 公理化設(shè)計(jì)理論體系中的設(shè)計(jì)工作是以四個(gè)域作為載體的，相鄰兩域之間的映射過(guò)程可以用數(shù)學(xué)方程來(lái)描述。若 DP1第 45 頁(yè) 選擇“折疊式自行車”，則可進(jìn)一步確定下一層的 FRs： FR11=質(zhì)量小， FR12=座椅位置調(diào)整， FR13=攜帶物品， FR14=可折疊拆卸等。 以功能域到物理域的映射為例，設(shè)計(jì)者首先應(yīng)明確產(chǎn)品的總功能或總要求，第 44 頁(yè) 然后從總功能出發(fā)，確定出產(chǎn)品的總設(shè)計(jì)參數(shù)要求。 第 43 頁(yè) 3）物理域 物理域，又稱結(jié)構(gòu)域。 針對(duì)試驗(yàn)任務(wù)和基礎(chǔ)研究需求，綜合考慮探測(cè)高度和載荷質(zhì)量要求，對(duì)探空火箭型譜進(jìn)行了分類，主要分為高空氣象探測(cè)、空間環(huán)境探測(cè)、深空探測(cè)三類 火箭。 模塊總體來(lái)說(shuō)分為兩大類：功能模塊和制造模塊。成熟模塊設(shè)計(jì)的重用、并行的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和測(cè)試，可以大大縮短生產(chǎn)制造周期。 基于系統(tǒng)模塊化原理的系列化探空火箭型譜規(guī)劃，有助于提高研發(fā)效率、降低研制成本、縮短研發(fā)周期、提高火箭系統(tǒng)可靠性 [20][21]。需求統(tǒng)計(jì)詳見(jiàn)表 。探空火箭能夠提供一個(gè)高真空、強(qiáng)振動(dòng)、大過(guò)載等空間飛行環(huán)境條件，許多新技術(shù)、新器件、新材料都可以通過(guò)探空火箭進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證。 H ( k m )T(min)1 0 0 3 0 0 5 0 0 7 0 0 9 0 0 1 1 0 0135791 11 31 5 圖 火箭彈道頂點(diǎn)高度與微重力試驗(yàn)時(shí)間的關(guān)系 第 35 頁(yè) 長(zhǎng)時(shí)間微重力火箭必須解決大質(zhì)量 (700kg)、高彈道 (800km 以 上 )、圓錐 圓柱型箭頭的再入防熱和回收問(wèn)題，同時(shí)需研制適合于垂直飛行的火箭控制系統(tǒng)，在箭頭箭體分離后，該系統(tǒng)又能代替速率控制系統(tǒng)的功能。微重力試驗(yàn)火箭與高塔或 落管投放、高空氣球投放、飛機(jī)作拋物線飛行等產(chǎn)生微重力的方法相比，技術(shù)成熟、可靠性高、價(jià)格低廉、靈活性好，同時(shí)微重力值穩(wěn)定，具有足夠的微重力實(shí)驗(yàn)時(shí)間。探測(cè)高度一般在 100~1500km，試驗(yàn)載荷包括大氣成分探測(cè)儀 (H NO O3 等 )、流星煙塵收集器、高空大氣示蹤物 (Ba、Li、 Na 金屬、或者 TMA、 H2O、 CO2等 )、皮拉尼計(jì)、電場(chǎng)儀、磁強(qiáng)計(jì)、朗繆兒探針、射線探測(cè)儀、粒子譜線儀、光電倍增管 、光度計(jì)等，這些載荷根據(jù)任務(wù)需要，載荷質(zhì)量有所不同，進(jìn)行空間原位探測(cè)的試驗(yàn)載荷通常在 50~100kg。 （ 4） 高層大氣 高層大氣與海平面、地面大氣有很大不同。②影響空間飛行器上磁性儀器的測(cè)試精度。 （ 1） 電離層測(cè)量 地球大氣 60km以上區(qū)域全部處于完全電離或部分電離狀態(tài)，故名“電離層”， 處于 60km至 l000km高度范圍，溫度在 180~3000K。國(guó)內(nèi)參考大氣所用的探空火箭數(shù)據(jù)較少，無(wú)法建立有效代表真實(shí)地球大氣的模型，不利于飛行器和航天器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。例如助推滑翔飛行器飛行任務(wù)對(duì)氣動(dòng)辨識(shí)關(guān)鍵區(qū)域 30~70km 高度范圍內(nèi)密度、溫度、風(fēng)向和風(fēng)速等大氣環(huán)境要素進(jìn)行測(cè)量，以保證滑翔段