【正文】 不但是 30~300km 高度范圍內(nèi)進(jìn)行原位探測(cè)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(chǎng)、微重力實(shí)驗(yàn)等研究工作 [3]。第 1 頁(yè) 摘 要 探空火箭是空間科學(xué)研究的重要手段，隨著我國(guó)對(duì)空間環(huán)境探測(cè)需求日益迫切，亟需開(kāi)展探空火箭系統(tǒng)型譜規(guī)劃工作。 目前用作空間科學(xué)研究的手段主要有 5 種：地面觀測(cè)設(shè)備、高空氣球、探空火箭、人造衛(wèi)星、空間站。近年來(lái) 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(wù)，如 2020 年發(fā)射 48 枚， 2020 年已進(jìn)行 22 次、 42枚火箭發(fā)射 [5]。目前，歐空局（ ESA）各國(guó)利用探空火箭，在微重力研究方面開(kāi)展了較多工作，針對(duì)不同微重力科學(xué)領(lǐng)域研制了許多成熟的微重力試驗(yàn)單元模塊，有近 68 個(gè)，各學(xué)科領(lǐng)域的模塊數(shù)量見(jiàn)表 [9][10]。 產(chǎn)品系列化。還有一些火箭搭載生物體進(jìn)行空間生物實(shí)驗(yàn)，例如和平八號(hào)火箭 [1]。首先，要求探空火箭型號(hào)齊全，能夠滿足不同高度，不同類(lèi)型的探測(cè)需求；其次，時(shí)間、技術(shù)、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(fù)雜程度，以期降低開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、使用維護(hù)的費(fèi)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(shì)和特點(diǎn)更為顯著地體現(xiàn)?？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。公理化設(shè)計(jì)（ Axiomatic Design）理論體系的出發(fā)點(diǎn)，就是將廣泛多樣的“經(jīng)驗(yàn)”加以提煉總結(jié)，將人類(lèi)自然的設(shè)計(jì)活動(dòng)中的種種“經(jīng)驗(yàn)”抽象化，并高度概括為一些“科學(xué)公理”，形成 不斷完善的設(shè)計(jì)公理體系。探空火箭任務(wù)類(lèi)型眾多，性能需求多樣化，難以對(duì)每 一種有效載荷設(shè)計(jì)一種新的火箭。最終得到完善的系列化探空火箭型譜，并繪制相關(guān)彈道圖和氣動(dòng)特性數(shù)據(jù)圖表，并對(duì)得到探空火箭型譜進(jìn)行分析。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。②影響空間飛行器上磁性儀器的測(cè)試精度。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。 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。需求統(tǒng)計(jì)詳見(jiàn)表 。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。 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(lèi)，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(lèi) 火箭。 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。 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 A31和 A32均不為 0，那么設(shè)計(jì)是一個(gè)耦合設(shè)計(jì)。 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。 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。 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。 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(chēng)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)。 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。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。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。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。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。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。在 600~1000km以上，大氣的主要物質(zhì)組成是氫 和氦 [17]。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。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。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。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。 人類(lèi)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(lèi)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(chēng)為“經(jīng)驗(yàn)”，“經(jīng)驗(yàn)”在一定程度上反映了人類(lèi)對(duì)客觀事物的把握。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。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。 （ 2） 試驗(yàn)用途 氣象火箭是最簡(jiǎn)單最常用的火箭類(lèi)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)。 系列化程度高。 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。 （ 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]。 第 2 頁(yè) 主題詞： 系列化、探空火箭、型譜 、模塊化、公理化設(shè)計(jì)、序列近似優(yōu)化方法、氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì) 第 3 頁(yè) ABSTRACT The sounding rocket is an important technique of space science exploration. Because of the strong need for space environment exploration, more research should be performed and planned. In this study, based on statistical investigation, 0~1500km was set to be the exploration goal. The series and modularization of the sounding rocket are necessary. Power engine was defined as the function modules and systematic construction and design was proposed. Three types and five rockets were introduced. The basic theory was analyzed and the independence of the theory was studied. Mathematical models were built and inferences were given, based on which systematic and modular design general processes were demonstrated. Then the structure of the spectrum engine was investigated so that the coupling model was obtained. This facilitates the acquisition of the engine specification. Finally, the establishment of a sounding rocket trajectory, aerodynamic calculation model was defined. For rocketI, the aerodynamic shape and engine were optimized 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)。 建立探空火箭的彈道、氣動(dòng)計(jì)算模型。某些物理現(xiàn)象如日蝕、太陽(yáng)耀斑爆發(fā)、流星雨、極光現(xiàn)象、平流層冬季增溫等，一般持續(xù)時(shí)間都較短，可供觀測(cè)的時(shí)間窗口很小。歐洲國(guó)家非常重視微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)，研發(fā)、制造、發(fā)射、保障等環(huán) 節(jié)都有非常詳盡的規(guī)劃， 1990~1996 年間每年發(fā)射一枚長(zhǎng)時(shí)間微重力火箭、 4 枚短時(shí)間微重力火箭 [6]。 其中， Loki 系列作為 Arcas 系列的替代產(chǎn)品，是在無(wú)控彈的基礎(chǔ)上改進(jìn)研制的，采用兩級(jí)方案，實(shí)現(xiàn)了高可靠、低成本（約為 Arcas 火箭的一半）的設(shè)計(jì)目標(biāo)。前期，探空火箭還是以氣象探測(cè)為主，后續(xù)，在產(chǎn)品系列化、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化基礎(chǔ)上，降低火箭成本，在開(kāi)展必耍的臨近空間氣象數(shù)據(jù)探測(cè)基礎(chǔ)上，不斷發(fā)展能夠進(jìn)行深空探測(cè)、微重力實(shí)驗(yàn)和空間新技術(shù)驗(yàn)證等方面研究工作的系列火箭。由于缺乏需求牽引和受?chē)?guó)家財(cái)力限制等原因，我國(guó)探空火箭技術(shù)水平、種類(lèi)和探測(cè)