【正文】 的氣動辨識精度。最終得到完善的系列化探空火箭型譜，并繪制相關彈道圖和氣動特性數(shù)據(jù)圖表，并對得到探空火箭型譜進行分析。 各章主要內(nèi)容如下： 第一章提出了本文的研究背景與意義，對國內(nèi)外探空火箭及探空火箭型譜發(fā)展情況和發(fā)展趨勢進行了綜述。探空火箭任務類型眾多，性能需求多樣化，難以對每 一種有效載荷設計一種新的火箭。 2020 年， Hrish iKesh V Deo， N P Suh 對汽車減振系統(tǒng)進行了研究，建立了基于公理化理論的面向客戶的汽 車減振設計系統(tǒng)原型 [35]。公理化設計（ Axiomatic Design）理論體系的出發(fā)點，就是將廣泛多樣的“經(jīng)驗”加以提煉總結(jié)，將人類自然的設計活動中的種種“經(jīng)驗”抽象化，并高度概括為一些“科學公理”，形成 不斷完善的設計公理體系。 公理化設計及其研究現(xiàn)狀 在具體設計工作中，光有理論性的模塊化思想還不夠?？死税l(fā)表了論文 Managing in an age of modularity，引起了業(yè)內(nèi)的極大反響。現(xiàn)在“云雀”系列主要的型號是“云雀 5”、“云雀 7”、“云雀 12”，已經(jīng)由很多用戶在不同國家的領土上發(fā)射過。首先，要求探空火箭型號齊全，能夠滿足不同高度，不同類型的探測需求；其次，時間、技術、成本的壓力又迫使研發(fā)單位盡可能地在滿足要求的情況下，降低探空火箭系統(tǒng)的復雜程度，以期降低開發(fā)、生產(chǎn)、使用維護的費用，使探空火箭系統(tǒng)更加柔性化，這樣才能將探空火箭的各種優(yōu)勢和特點更為顯著地體現(xiàn)。因此，亟需結(jié)合試驗與基礎技術研究需求，制定統(tǒng)一的探空火箭發(fā)展規(guī)劃、完善發(fā)展型譜，整合資源 ，有步驟、有重點的發(fā)展不同能力、滿足不同需求的探空火箭。還有一些火箭搭載生物體進行空間生物實驗，例如和平八號火箭 [1]。其中， 60 年代共發(fā)射約 92 枚， 70 年代共發(fā)射約 136 枚， 80 年代共發(fā)射約 27 枚， 90年代共發(fā)射約 4 枚 [12]。 產(chǎn)品系列化。 （ 4）特點 從國外探空火箭發(fā)展現(xiàn)狀來看，主要有以下特點： 發(fā)射頻度高。目前，歐空局（ ESA）各國利用探空火箭，在微重力研究方面開展了較多工作，針對不同微重力科學領域研制了許多成熟的微重力試驗單元模塊，有近 68 個，各學科領域的模塊數(shù)量見表 [9][10]。利用這些資料，美國相第 8 頁 關靶場統(tǒng)計分析了中高層大氣環(huán)境參數(shù)的時空分布規(guī)律，建立了靶場參考大氣模型，有效滿足 了阿波羅工程、航天飛機、彈道導彈、臨近空間飛行器研制任務大氣環(huán)境輸入要求。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，如 2020 年發(fā)射 48 枚， 2020 年已進行 22 次、 42枚火箭發(fā)射 [5]。 近年來，隨著臨近空間飛行器、導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)科學發(fā)展。 目前用作空間科學研究的手段主要有 5 種：地面觀測設備、高空氣球、探空火箭、人造衛(wèi)星、空間站。最終得到系列化探空火箭型譜，并繪制相關彈道圖和氣動特性數(shù)據(jù)圖表。第 1 頁 摘 要 探空火箭是空間科學研究的重要手段，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。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，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。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)星可在預定軌道（＞ 300km）進行科學探測和空間科學研究，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]。 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”。 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。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）標準指南 2020 年版等 [4]。統(tǒng)計可見流體科學試驗模塊數(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 。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)射積累了大量基礎數(shù)據(jù)，為建立標準大氣模型等基礎性工作奠定了堅實基礎。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。 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、風向、風速等探測資料。 （ 3） 型號系列 國防科技大學、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，技術指標 比較見表 。 火箭成本有待降低。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，這應該成為探空火箭研制的發(fā)展方向。 模塊化設計方法 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，覆蓋的探測任務較廣泛。這篇論文以 IBM360第 22 頁 電腦的模塊化設計為例，闡述了模塊化方法的基本原理，并大膽做出預測，模塊化的設計思想必將進一步推廣到各個領域，這種預測已被業(yè)界的發(fā)展所證實。系列化探空火箭型譜總體設計這樣的復雜任務，總體設計參數(shù)多，任務種類多，各個設計參數(shù)之間耦合較密切。公理化設計將一切設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計活動的元素。 國內(nèi)對公理化設計的研究才剛剛起步，應用研究較少，應用范圍還不廣泛。采用模塊化設計方法，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需求的發(fā)展方向。對系統(tǒng)模塊化理論和公理化設計理論做了初步的介紹。 第 28 頁 第二章 探空火箭任務需求分析 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。 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。 第 30 頁 空間科學探測 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）。 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。因此，需 要對地球磁場的強度、方向等指標進行探測。 20~50km 是平流層中的臭氧層，其主要作用是吸收短波紫外線?？臻g光學觀測的項目，具有復雜的光路系統(tǒng)和制冷設備，試驗載荷通常在 150kg 以上。因此微重力試驗火箭以其較高的性價比一直受到各國科學家的重視。此外，在這類火箭上大都有計劃地將遙測科學設備用于微重力科學的實驗研究。在這一點上，國外發(fā)達國家走在了先列。 第 37 頁 表 探空火箭探測需求統(tǒng)計表 試驗需求 探測高度（ km） 有效載荷（ kg） 探測要素 臨近空間飛行試驗 20~100 3~5 密度、溫度、風向、風速等大氣環(huán)境參數(shù) 空間飛行試驗 20~500 大于 50 密度、溫度、風向、風速等大氣環(huán)境參數(shù)； 電離層、磁場、高空大氣、輻照等空間環(huán)境 大氣模型建立 20~100 3~10 密度、溫度、風向、風速等大氣環(huán)境參數(shù) 空間科學探測 20~1500 大于 50 密度、溫度、風向、風速等大氣環(huán)境參數(shù)； 電離層、磁場、高空大氣、輻照等空間環(huán)境 微重力研究 200~1000 大于 250 物理實驗、生物實驗 空間新技 術驗證 100~1500 大于 100 空間環(huán)境適應性 小結(jié) 本章從實際需求出發(fā)，對國內(nèi)探空火箭的探測需求、探測高度、載荷質(zhì)量等進行分析，主要包括試驗任務需求和基礎研究兩方面。 本章根據(jù)系統(tǒng)模塊化原理，針對發(fā)動機進行模塊化設計。③對生產(chǎn)組織的貢獻。功能模塊以功能為落腳點，不同的原理完成不同的功能，形成不同的模塊，眾多模塊有機結(jié)合在一起，完成系統(tǒng)的任務。三類火箭對發(fā)動機功能模塊的需求，如表 所示。物理域是功能域的進一步表達，它集合了功能的物質(zhì)載體，包含了產(chǎn)品的物理結(jié)構(gòu)?？偣δ艿玫綕M足后，總設計參數(shù)指導下一層級的子功能分解，子功能確定后，再確定此級子功能的設計參數(shù)。若 DP1選擇“小型電動車”，則它所確定的下一層 FRs 就會不同。 Equation Chapter 3 Section 1 在層次結(jié)構(gòu)的某一層上，設計目標域（ WHAT 域）與設計方案域（ HOW 域）各自包含他們的特征向量。下面分情況討論。 （ 3） hy hy,即功能要求 FRs 的數(shù)量小于設計參數(shù) DPs 的數(shù)量。 在真實的設計活動中，很難保證各個層級的設計都是非耦合設計，但應盡量做到準耦合設計。那么設計者應適當調(diào)整設計方案，將功能要求解耦，或?qū)⒎桨钢鸩椒纸饧毣謱釉O計，盡量做到功能要求相互獨立。 （ 2）三角陣 包括上三角陣和下三角陣。必須尋找一個合適的設計序列，也就是設計順序，按照這個順序確定各個設計參數(shù) DPs，進而保證各個功能要求 FRs 的獨立性。當設計參數(shù) DPs 的數(shù)目大于功能要求 FRs 數(shù)目時，表現(xiàn)出的設計形式有兩種情況：冗余設計或耦合設計。這樣可以在一定程度上提高設計工作的合理性，進一步提高設計工作的成功率。 第 49 頁 舉例說明，如 FPs 有兩個，而 DPs 有五個，設計方程如下 1211 13 141321 22 23 25245000DPDPA A AFRDPA A A AFRDPDP??????? ???? ? ??? ? ? ???? ? ??? ???????? () 這種情況下，設計的形式在于將哪些設計參數(shù)人為確定下來，而哪些設計參數(shù)可變化。 圖 設計矩陣為對角陣 如若設計矩陣為三角陣，如圖 所示，那么設計參數(shù)必須按某一適當?shù)捻樞蚺帕胁拍軡M足獨立性公理，這樣的設計稱之為準耦合設計。它們之間的關系可以表示為 11{ } [ ] { }h h y yF R A D P? ? ?? () 式中： 1{}hFR? 為功能向量， 1{}yDP? 為設計參數(shù)向量。設計者對產(chǎn)品和相關技術越熟悉，層級展開程度越高，設計也就越合理?；蛘邚牧硪粋€方面來說：功能域中的第 i 層功能需求 FRs，必須先向右映射得到物理域第 i層設計參數(shù) DPs，以 第 i 層設計參數(shù) DPs 為基礎再向下映射，才可得到第（ i+1）層功能需求。 總之，公理化設計中“設計”一詞的概念非常廣泛，雖然各種設計的目標和要求不盡相同，但所有設計的思維方式類似，產(chǎn)品的設計過程都可 由這四個域來描述。設計空間分為四個域 [23]：用戶域、功能域、物理域、過程域。 表 探空火箭型譜對發(fā)動機功能模塊的需求 探空火箭 類型 理論彈道頂點高度（ km） 載荷質(zhì)量（ kg） 發(fā)動機 適用范圍 一級 二級 三級 四級 高空氣象探測火箭 探測1 一級固體 70~160 6~30 待定 臨近空間飛行器、空間飛行器試驗和大氣模型建立 空間環(huán)境探測火箭 探測2 二級固體 160~550 140~350 空間飛行器試驗、空間科學探測、微重力研究、空間新技術驗證 探 二 200~550 165~450 空間飛行器試驗、空第 41 頁 測3 級固體 間科學探測、微重力研究、空間新技術驗證 深空探測火箭 探測4 三級固體 550~1000 100~450 空間飛行器試驗、空間科學探測、微重力研究、空間新技術驗證 探測5 四級固體 1000~1500 150~270 空間飛行器試驗、空間科學探測、微重力研究、空間新技術驗證 發(fā)動機為探空火箭重要分系統(tǒng)之一