【正文】 4） 設(shè)計(jì)解耦中的方案更新：設(shè)計(jì)解耦意味著功能要求的改變，當(dāng)功能要求改變后，必須更新原來(lái)的設(shè)計(jì)方案，以滿足新的設(shè)計(jì)要求。 若人為確定 DP1 和 DP3，將 DP DP DP5 作為設(shè)計(jì)的變化量，則新的方程為 第 50 頁(yè) 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(shè)計(jì)參數(shù) DPs 的數(shù)量，是一個(gè)非耦合的冗余設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)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(shuō)明，假設(shè)在功能域中有三個(gè)功能要求 FR FR FR3，物理域中有三個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù) DP DP DP3，它們之間的設(shè)計(jì)矩陣為表 所示 表 設(shè)計(jì)矩陣舉例 第 47 頁(yè) 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(duì) FR 有影響， 0 代表無(wú)影響，非零值 Aij代表有影響。 功能域與物理域之間的 Zigzagging 映射示意如圖 所示。 用戶域表示用戶想要達(dá)到的效果，或者說(shuō)用戶要求產(chǎn)品具備的屬性?；诖髿饽Ｐ徒?、空間科學(xué)探測(cè)、微重力研究、空間新技術(shù)驗(yàn)證的需求，發(fā)展一類 600km 以第 40 頁(yè) 內(nèi)探測(cè)高度的空間環(huán)境探測(cè)火箭。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(lái)最大限度、且較經(jīng)濟(jì)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(yīng)運(yùn)載質(zhì)量和運(yùn)載高度的不同要求。 空間新技術(shù)驗(yàn)證 隨著空間科學(xué)研究的不斷深入和人類探測(cè)領(lǐng)域的進(jìn)一步擴(kuò)展，許多新技術(shù)應(yīng)第 36 頁(yè) 運(yùn)而生，有些技術(shù)的應(yīng)用環(huán)境是地面無(wú)法模擬的。因此，只要在箭頭單獨(dú)飛行時(shí)，其飛行高度足夠高 (一般認(rèn)為 100km 以上 )、轉(zhuǎn)動(dòng)角速度足夠小 (例如 ~1r/min)，則在箭體頭部?jī)?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(dá)到 104g0量級(jí)。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(méi)有完全有效的措施預(yù)防，給航天員身體造成的損害有可能是長(zhǎng)期的，甚至致命的。更重要的是，探空火箭研制成本較低，操作方便，發(fā)射簡(jiǎn)單。 試驗(yàn)任務(wù)需求 探空火箭可為多種不同類型飛行器的飛行試驗(yàn)任務(wù)提供環(huán)境探測(cè)支撐。一方面探空火箭作為無(wú)控火箭需要依賴氣動(dòng)穩(wěn)定力矩保持飛行穩(wěn)定，另一方面氣動(dòng)學(xué)科與彈道、發(fā)動(dòng)機(jī)學(xué)科耦合緊密，三 者共同對(duì)探空火箭的性能產(chǎn)生影響。 2020 年， Nam P. Suh出版了專著《公理化設(shè)計(jì)：進(jìn)展與應(yīng)用》（ Axiomatic Design: Advances and Application），進(jìn)一步系統(tǒng)拓展并推廣了理論體系中的內(nèi)涵和外延 [31]。1997 年， 在通產(chǎn)省的支持下，成立了信息化研究會(huì)及企業(yè)研究會(huì)，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(shí)現(xiàn)途徑。后來(lái)逐步在英國(guó)科學(xué)研究委員會(huì)的領(lǐng)導(dǎo)下，提出了英國(guó)國(guó)家空間計(jì)劃，要求將更重的有效載荷送入更高的高度。歸納來(lái)說(shuō)，主要存在以下差距： 頂層規(guī)劃有待完善。 國(guó)內(nèi)探空火箭發(fā)展現(xiàn)狀 探空火箭項(xiàng)目是中國(guó)空間技術(shù)的起步項(xiàng)目之一，火箭的研制始于 1958 年。得到廣泛應(yīng)用，是美國(guó)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) %。日本的 TT500A 微重力火箭計(jì)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]。此時(shí)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(cè)，還 可與人造衛(wèi)星、高空氣球和地面觀測(cè)設(shè)備同步觀測(cè)。采用序列近似優(yōu)化方法，對(duì)單級(jí)探空火箭探測(cè) 1 進(jìn)行氣動(dòng) /發(fā)動(dòng)機(jī)一體化優(yōu)化，驗(yàn)證計(jì)算模型和優(yōu)化算法的可行性和優(yōu)化效果。 綜上，本文在國(guó)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(jì)、優(yōu)化的方法和流程，為探空火箭初期總體設(shè)計(jì)工作提供參考和借鑒。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(cè)手段所不能及的空間探測(cè)活動(dòng)，為各種理論基礎(chǔ) 研究和試驗(yàn)任務(wù)探測(cè)需求做出了重大的貢獻(xiàn)。從表 可以看出，自上世紀(jì) 60 年代，美國(guó)就開始了電離層、磁場(chǎng)、微重力等多種類的空間探測(cè)試驗(yàn)，探測(cè)區(qū)域以 300km 以下為主，也有 部分 1000km 以上探測(cè)高度的探測(cè)活動(dòng)。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)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(chǎng)、極光、高空大氣成分等空間科學(xué)探測(cè)，而在微重力科學(xué)研究和空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)等傳統(tǒng)項(xiàng)目上仍舊保持著極大的探測(cè)熱度。進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，結(jié)合“子午工程”和一些重大專項(xiàng)任務(wù)，火箭探空活動(dòng)日益增多 [13]。 第 19 頁(yè) 發(fā)射頻率有待增加。 現(xiàn)代模塊化理論的研究主要分為三個(gè)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(shì)。面對(duì)這種情況，公理化設(shè)計(jì)理論體系能夠發(fā)揮其作用，起到理清設(shè)計(jì)思路，明確設(shè)計(jì)過(guò)程和設(shè)計(jì)目標(biāo)的作用，為系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)思想與具體的 設(shè)計(jì)工作搭建起一座橋梁。 總體來(lái)看，公理化設(shè)計(jì)方法在國(guó)外工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，并取得了顯著效果。 第三章基于模塊化設(shè)計(jì)原理，進(jìn)行系列化探空火箭型譜規(guī)劃，確定以發(fā)動(dòng)機(jī)作為功能 模塊進(jìn)行體系構(gòu)建和設(shè)計(jì)，在國(guó)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(cè)火箭、空間環(huán)境探測(cè)火箭、深空探測(cè)火箭。 空間飛行器飛行高度更高，大氣環(huán)境因素對(duì)發(fā)射任務(wù)的成敗起著重要作用，高層大氣、電離層、磁場(chǎng)等空間環(huán)境因素都會(huì)對(duì)飛行器性能產(chǎn)生影響。③對(duì)空間飛行器軌道和姿態(tài)的影響：阻第 31 頁(yè) 力增大。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?！岸虝r(shí)間探空火箭”的微重力實(shí)驗(yàn)時(shí)間為 5~7 分鐘；“長(zhǎng)時(shí)間探空火箭”的微重力實(shí)驗(yàn)時(shí)間為 14~15 分鐘。在很多情況下，國(guó)內(nèi)的發(fā)射任務(wù)需要采用國(guó)產(chǎn)元器件和通用的商業(yè)元器件。 系列化探空火箭發(fā)動(dòng)機(jī)模塊化需求 模塊化設(shè)計(jì) 第 39 頁(yè) 模塊化設(shè)計(jì)，通過(guò)多種模塊構(gòu)成子系統(tǒng)，通過(guò)子系統(tǒng)之間多樣化的有機(jī)結(jié)合方式構(gòu)成產(chǎn)品系統(tǒng)。 表 探空火箭型譜對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功能模塊的需求 探空火箭 類型 理論彈道頂點(diǎn)高度（ km） 載荷質(zhì)量（ kg） 發(fā)動(dòng)機(jī) 適用范圍 一級(jí) 二級(jí) 三級(jí) 四級(jí) 高空氣象探測(cè)火箭 探測(cè)1 一級(jí)固體 70~160 6~30 待定 臨近空間飛行器、空間飛行器試驗(yàn)和大氣模型建立 空間環(huán)境探測(cè)火箭 探測(cè)2 二級(jí)固體 160~550 140~350 空間飛行器試驗(yàn)、空間科學(xué)探測(cè)、微重力研究、空間新技術(shù)驗(yàn)證 探 二 200~550 165~450 空間飛行器試驗(yàn)、空第 41 頁(yè) 測(cè)3 級(jí)固體 間科學(xué)探測(cè)、微重力研究、空間新技術(shù)驗(yàn)證 深空探測(cè)火箭 探測(cè)4 三級(jí)固體 550~1000 100~450 空間飛行器試驗(yàn)、空間科學(xué)探測(cè)、微重力研究、空間新技術(shù)驗(yàn)證 探測(cè)5 四級(jí)固體 1000~1500 150~270 空間飛行器試驗(yàn)、空間科學(xué)探測(cè)、微重力研究、空間新技術(shù)驗(yàn)證 發(fā)動(dòng)機(jī)為探空火箭重要分系統(tǒng)之一，為探空火箭提供動(dòng)力，是運(yùn)載任務(wù)的基礎(chǔ)，直接決定探空火箭的性能甚至探測(cè)任務(wù)的成敗。 總之，公理化設(shè)計(jì)中“設(shè)計(jì)”一詞的概念非常廣泛，雖然各種設(shè)計(jì)的目標(biāo)和要求不盡相同，但所有設(shè)計(jì)的思維方式類似，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程都可 由這四個(gè)域來(lái)描述。設(shè)計(jì)者對(duì)產(chǎn)品和相關(guān)技術(shù)越熟悉，層級(jí)展開程度越高，設(shè)計(jì)也就越合理。 圖 設(shè)計(jì)矩陣為對(duì)角陣 如若設(shè)計(jì)矩陣為三角陣，如圖 所示，那么設(shè)計(jì)參數(shù)必須按某一適當(dāng)?shù)捻樞蚺帕胁拍軡M足獨(dú)立性公理，這樣的設(shè)計(jì)稱之為準(zhǔn)耦合設(shè)計(jì)。這樣可以在一定程度上提高設(shè)計(jì)工作的合理性，進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)工作的成功率。必須尋找一個(gè)合適的設(shè)計(jì)序列，也就是設(shè)計(jì)順序，按照這個(gè)順序確定各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù) DPs，進(jìn)而保證各個(gè)功能要求 FRs 的獨(dú)立性。那么設(shè)計(jì)者應(yīng)適當(dāng)調(diào)整設(shè)計(jì)方案，將功能要求解耦，或?qū)⒎桨钢鸩椒纸饧?xì)化，分層設(shè)計(jì)，盡量做到功能要求相互獨(dú)立。 （ 3） hy hy,即功能要求 FRs 的數(shù)量小于設(shè)計(jì)參數(shù) DPs 的數(shù)量。 Equation Chapter 3 Section 1 在層次結(jié)構(gòu)的某一層上，設(shè)計(jì)目標(biāo)域（ WHAT 域）與設(shè)計(jì)方案域（ HOW 域）各自包含他們的特征向量?？偣δ艿玫綕M足后，總設(shè)計(jì)參數(shù)指導(dǎo)下一層級(jí)的子功能分解，子功能確定后，再確定此級(jí)子功能的設(shè)計(jì)參數(shù)。三類火箭對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功能模塊的需求，如表 所示。③對(duì)生產(chǎn)組織的貢獻(xiàn)。 第 37 頁(yè) 表 探空火箭探測(cè)需求統(tǒng)計(jì)表 試驗(yàn)需求 探測(cè)高度（ km） 有效載荷（ kg） 探測(cè)要素 臨近空間飛行試驗(yàn) 20~100 3~5 密度、溫度、風(fēng)向、風(fēng)速等大氣環(huán)境參數(shù) 空間飛行試驗(yàn) 20~500 大于 50 密度、溫度、風(fēng)向、風(fēng)速等大氣環(huán)境參數(shù)； 電離層、磁場(chǎng)、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(fēng)向、風(fēng)速等大氣環(huán)境參數(shù) 空間科學(xué)探測(cè) 20~1500 大于 50 密度、溫度、風(fēng)向、風(fēng)速等大氣環(huán)境參數(shù)； 電離層、磁場(chǎng)、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(shí)驗(yàn)、生物實(shí)驗(yàn) 空間新技 術(shù)驗(yàn)證 100~1500 大于 100 空間環(huán)境適應(yīng)性 小結(jié) 本章從實(shí)際需求出發(fā)，對(duì)國(guó)內(nèi)探空火箭的探測(cè)需求、探測(cè)高度、載荷質(zhì)量等進(jìn)行分析，主要包括試驗(yàn)任務(wù)需求和基礎(chǔ)研究?jī)煞矫?。此外，在這類火箭上大都有計(jì)劃地將遙測(cè)科學(xué)設(shè)備用于微重力科學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究?？臻g光學(xué)觀測(cè)的項(xiàng)目，具有復(fù)雜的光路系統(tǒng)和制冷設(shè)備，試驗(yàn)載荷通常在 150kg 以上。因此，需 要對(duì)地球磁場(chǎng)的強(qiáng)度、方向等指標(biāo)進(jìn)行探測(cè)。 第 30 頁(yè) 空間科學(xué)探測(cè) 根據(jù)溫度分布結(jié)構(gòu)，大氣分為對(duì)流層 (0~18km)、平流層 (18~50km)、中間(50~85km)、熱層 (85~500km)和逃逸層（ 500km 以上）。 第 28 頁(yè) 第二章 探空火箭任務(wù)需求分析 引言 探空火箭是空間環(huán)境探測(cè)的重要手段，有其不可替代的優(yōu)勢(shì)。采用模塊化設(shè)計(jì)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(cè)任務(wù)需求的發(fā)展方向。公理化設(shè)計(jì)將一切設(shè)計(jì)活動(dòng)劃分為四個(gè)域，即：用戶域（ Customer Domain）、功能域（ Functional Domain）、物理域（ Physical 第 24 頁(yè) Domain）和過(guò)程域（ Process Domain），每個(gè)域包含一定反映設(shè)計(jì)活動(dòng)的元素。這篇論文以 IBM360第 22 頁(yè) 電腦的模塊化設(shè)計(jì)為例，闡述了模塊化方法的基本原理，并大膽做出預(yù)測(cè)，模塊化的設(shè)計(jì)思想必將進(jìn)一步推廣到各個(gè)領(lǐng)域，這種預(yù)測(cè)已被業(yè)界的發(fā)展所證實(shí)。因而，探空火箭研制部門不可能也無(wú)必要針對(duì)每一種有效載荷的要求設(shè)計(jì)一種新的運(yùn)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(dòng)機(jī)；或利用已研制成功的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，采用“一機(jī) (發(fā)動(dòng)機(jī) )多用”原則，將 它們以積木方式組合成探空運(yùn)載火箭的系列，并編制成型譜，提供使用部門選用，這應(yīng)該成為探空火箭研制的發(fā)展方向。 （ 3） 型號(hào)系列 國(guó)防科技大學(xué)、航天科技集團(tuán)四院等單位，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，技術(shù)指標(biāo) 比較見(jiàn)表 。不同試驗(yàn)對(duì)于探空火箭的需求不盡相同，必須在研制過(guò)程中，強(qiáng)化“三化”意識(shí)，即“通用化、系列化、模塊化”，使之在基本型某礎(chǔ)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(yè) 同高度、不同載荷以及不同試驗(yàn)的需求。統(tǒng)計(jì)可見(jiàn)流體科學(xué)試驗(yàn)?zāi)K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(duì)歷年來(lái) 微重力試驗(yàn)單元的質(zhì)量分布進(jìn)行不完全統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)第 11 頁(yè) 表 。 歐洲方面，英國(guó)的“云雀”探空火箭系列，瑞典和德國(guó)合作的“ TEXUS”微重力火箭系列等，體現(xiàn)了這幾個(gè)國(guó)家在火箭探空方面的積極嘗試。其中，氣球可長(zhǎng)距離、長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)探測(cè) 30km以下大氣參數(shù)，衛(wèi)星可在預(yù)定軌道（＞ 300km）進(jìn)行科學(xué)探測(cè)和空間科學(xué)研究，探空火箭