【文章內(nèi)容簡介】 P .Suh，在當(dāng)時系主任的支持下，成立了“制造和生產(chǎn)實驗室”，該實驗室的基本任務(wù)是建立設(shè)計和制造的基本原則，使得在產(chǎn)品設(shè)計階段產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和參數(shù)最大可能的滿足用戶需求[23]。 Suh 教授及其同事在麻省理工學(xué)院和其它企業(yè)中 積累了大量的工程經(jīng)驗，他們以此為基礎(chǔ)，分離出一些取得成功的通用要素，并將這些要素進(jìn)行歸納，總結(jié)了12 條基本公理。后經(jīng)過 Suh 教授團隊的不懈努力和大力推廣，形成了產(chǎn)品設(shè)計階段最重要的“獨立性公理”，并于 1990 年出版專著 The Principles of Design[24]，標(biāo)志著這種新的設(shè)計方法和理念 —— 公理化設(shè)計的概念誕生了。公理化設(shè)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(shè)計活動中的種種“經(jīng)驗”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)計公理體系。公理化設(shè)計將一切設(shè)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(shè)計活動的元素。設(shè)計活動的過程通過四個域之間的某種映射進(jìn)行和反映。 截至目前，公理化設(shè)計方法在很多西方發(fā)達(dá)國家得到了廣泛的推廣和應(yīng)用，是產(chǎn)品設(shè)計理論和方法學(xué)的重要生力軍。國外的一些研究情況如下： Nam P. Suh建立了公理化設(shè)計的基本原理和基本框架，提出了 設(shè)計的一般過程以及簡單的應(yīng)用實例 [25]； D. Lindholm 等人將通過公理化理論體系對設(shè)計過程中的種種決策問題進(jìn)行探究，在設(shè)計分解的過程中不斷推理，得到設(shè)計決策樹 [26]； Mats Nordlund 等通過設(shè)想若干典型案例研究了公理化設(shè)計理論在商業(yè)上的應(yīng)用實踐發(fā)展藍(lán)圖 [27]；Vigain Harutunian 等在公理化設(shè)計理論的基礎(chǔ)上，引入 QFD 和并行設(shè)計理論，綜合得到設(shè)計的決策系統(tǒng) [28]； 對公理化設(shè)計進(jìn)行了軟件的實現(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)計過程模型，提出整數(shù)規(guī)劃模型來描述系統(tǒng)的行為 [30]； Nicola Cappetti研究了某型號電池在項目實施階段控制點的假設(shè)，將公理化設(shè)計方法與自由時差和總時差相結(jié)合，指導(dǎo)設(shè)計者選擇總體方案。 進(jìn)入 21 世紀(jì)，國外應(yīng)用公理化理論體系的領(lǐng)域更廣泛。 2020 年， Nam P. Suh出版了專著《公理化設(shè)計：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]。 2020 年， J W Melvin ， N P Suh 對公理化設(shè)計理論的仿真環(huán)境進(jìn)行構(gòu)建，并第 25 頁 將其應(yīng)用在汽車機械主軸設(shè)計中 [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)計方法 [34]。 2020 年， Hrish iKesh V Deo， N P Suh 對汽車減振系統(tǒng)進(jìn)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(shè)計系統(tǒng)原型 [35]。 國內(nèi)對公理化設(shè)計的研究才剛剛起步，應(yīng)用研究較少，應(yīng)用范圍還不廣泛。主要研究的內(nèi)容有：楊培林等將公理化設(shè)計理論與并行設(shè)計思想相結(jié)合，將產(chǎn)品的設(shè)計過程置入并行設(shè)計框架，提出了并行設(shè)計的實施方案 [36]；張瑞紅將獨立性公理和信息公理與穩(wěn)健設(shè)計相結(jié)合，對產(chǎn)品進(jìn)行穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計 [37]；陳小川等將公理化設(shè)計理論體系與多種現(xiàn)代設(shè)計方法相結(jié)合，進(jìn)行并行協(xié)同研究 [38]，初步構(gòu)建面向成本設(shè)計的成本估算框架 [39]；吳斌等從公理化設(shè)計入手，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]。 總體來看，公理化設(shè)計方法在國外工程設(shè)計領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，并取得了顯著效果。但國內(nèi)進(jìn)行應(yīng)用研究的還不多，應(yīng)用范圍還很有限。在航空航天領(lǐng)域更是少見相關(guān)研究。在探空火箭型譜規(guī)劃中引入公理化設(shè)計方法，將是一種有意第 26 頁 義的探索。 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。探空火箭任務(wù)類型眾多，性能需求多樣化，難以對每 一種有效載荷設(shè)計一種新的火箭。采用模塊化設(shè)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(wù)需求的發(fā)展方向。 探空火箭系統(tǒng)的眾多分系統(tǒng)中，動力系統(tǒng)是關(guān)鍵要素之一，它為探空火箭提供動力，是運載任務(wù)的基礎(chǔ)，會直接影響探空火箭的性能甚至探測任務(wù)的成敗。同時，動力系統(tǒng)在探空火箭成本構(gòu)成中占較大比例。故本文以發(fā)動機作為核心模塊構(gòu)建系列化探空火箭型譜。此外，探空火箭的氣動外形設(shè)計也至關(guān)重要。一方面探空火箭作為無控火箭需要依賴氣動穩(wěn)定力矩保持飛行穩(wěn)定，另一方面氣動學(xué)科與彈道、發(fā)動機學(xué)科耦合緊密，三 者共同對探空火箭的性能產(chǎn)生影響。故本文對系列化探空火箭型譜進(jìn)行氣動外形優(yōu)化設(shè)計，進(jìn)一步完善型譜性能。 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(jìn)行了綜述。對系統(tǒng)模塊化理論和公理化設(shè)計理論做了初步的介紹。 第 27 頁 第二章對國內(nèi)探空火箭試驗與研究需求進(jìn)行綜合分析，從探測的實際需求出發(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(jìn)行歸納、總結(jié)、分析，確立 0~1500km的探測目標(biāo)。 第三章基于模塊化設(shè)計原理，進(jìn)行系列化探空火箭型譜規(guī)劃，確定以發(fā)動機作為功能 模塊進(jìn)行體系構(gòu)建和設(shè)計，在國內(nèi)需求綜合分析的基礎(chǔ)上，提出三類探空火箭：氣象探測火箭、空間環(huán)境探測火箭、深空探測火箭。對獨立性公理進(jìn)行研究和探討，建立其數(shù)學(xué)模型，得到公理化設(shè)計理論體系中幾個基本的推論?；讵毩⑿怨恚M(jìn)行系統(tǒng)模塊化組成方法研究，推導(dǎo)得到系統(tǒng)模塊化組成設(shè)計一般流程，并以此為基礎(chǔ)，指導(dǎo)發(fā)動機方案選擇。 第四章建立探空火箭彈道、氣動計算模型，將序列近似優(yōu)化方法引入火箭總體方案優(yōu)化設(shè)計，以單級探空火箭探測 1 為對象，進(jìn)行氣動 /發(fā)動機一體化優(yōu)化，驗證計算模型和優(yōu)化方法的可行性和優(yōu)化效果。 第五章使用解 耦法對兩種二級探空火箭探測 2 和探測 3 進(jìn)行氣動外形優(yōu)化設(shè)計，使用無量綱加權(quán)法對三級探空火箭探測 4 和四級探空火箭探測 5 進(jìn)行統(tǒng)一的氣動外形優(yōu)化設(shè)計。最終得到完善的系列化探空火箭型譜，并繪制相關(guān)彈道圖和氣動特性數(shù)據(jù)圖表，并對得到探空火箭型譜進(jìn)行分析。 第 28 頁 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)境探測的重要手段，有其不可替代的優(yōu)勢。其需求主要包括試驗任務(wù)和基礎(chǔ)研究兩方面。試驗任務(wù)需求是為某些飛行任務(wù)提供數(shù)據(jù)支持，基礎(chǔ)研究是為基礎(chǔ)理論研究服務(wù)。 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)計提出了不同的要求。本章主要針對不同類型任務(wù)需求開展分析，并對探空火箭完成不同任務(wù)提出主要的性能指標(biāo)需求。 試驗任務(wù)需求 探空火箭可為多種不同類型飛行器的飛行試驗任務(wù)提供環(huán)境探測支撐。 臨近空間大氣環(huán)境要素是臨近空間飛行器設(shè)計研制、飛行試驗、考核定型等階段不可缺少的重要輸入條件。例如助推滑翔飛行器飛行任務(wù)對氣動辨識關(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)行測量，以保證滑翔段的氣動辨識精度。 高速再入飛行器依靠空氣動力在大氣層內(nèi)進(jìn)行一定范圍的機動飛行，可有效提高突防 能力。高速再入飛行器飛行試驗與常規(guī)飛行試驗相比，除常規(guī)氣象保障要求外，對飛行試驗落區(qū)氣象保障提出了更高要求：需要測量飛行再入段彈下點第 29 頁 30~100km高度范圍內(nèi)的大氣溫度、密度、壓強、風(fēng)向、風(fēng)速等氣象要素，用于研究高速再入飛行器氣動 控制的天地差異性，同時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。 空間飛行器飛行高度更高，大氣環(huán)境因素對發(fā)射任務(wù)的成敗起著重要作用，高層大氣、電離層、磁場等空間環(huán)境因素都會對飛行器性能產(chǎn)生影響。因此，需要進(jìn)行空間環(huán)境探測試驗 (100km)，以保證空間飛行器試 驗正常、順利進(jìn)行。 基礎(chǔ)研究需求 大氣模型建立 參考大氣是表征真實地球大氣溫度、壓強、密度和風(fēng)等大氣環(huán)境參數(shù)隨高度、位置和季節(jié)分布及變化的大氣模型，是飛行器設(shè)計、彈道模型建立、航天器軌道控制和預(yù)報等重要輸入條件。建立大氣模型需研究長時間序劃、大空間范圍內(nèi)的探測數(shù)據(jù)，尋找特定區(qū)域中高層大氣環(huán)境要素日變化、月變化乃至季節(jié)變化規(guī)律，影響天氣系統(tǒng)分布規(guī)律及季節(jié)變化特性。 參考大氣模型構(gòu)建需要原始觀探測資料，除常規(guī)地面探測數(shù)據(jù)、衛(wèi)星探測數(shù)據(jù)及數(shù)值預(yù)報分析數(shù)據(jù)外，探空火箭探測數(shù)據(jù)是大氣環(huán)境參數(shù)測量的 關(guān)鍵數(shù)據(jù)。國內(nèi)參考大氣所用的探空火箭數(shù)據(jù)較少，無法建立有效代表真實地球大氣的模型，不利于飛行器和航天器的設(shè)計與應(yīng)用。 第 30 頁 空間科學(xué)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）。根據(jù)電磁特性，大氣分為電離層（ 60~ 1000km）、磁層 (1000km以上 )[14] [15]。 目前，進(jìn)行空間科學(xué)探測主要有地基遙感、衛(wèi)星探測和探空火箭等手段。其中，利用地面雷達(dá)進(jìn)行地基遙感探測，其作用距離相對 有限，衛(wèi)星搭載方式機會相對受限。采用探空火箭方式，高度范圍覆蓋性廣，子樣數(shù)多，有原位測量的優(yōu)點。更重要的是，探空火箭研制成本較低，操作方便，發(fā)射簡單。因此，利用探空火箭，配合地基遙感探測和衛(wèi)星探測數(shù)據(jù)，對空間中的電離層、磁場、高能粒子輻照、高層大氣等進(jìn)行探測，掌握地球大氣與太陽輻射、空間大氣相互作用的基本規(guī)律，可逐漸清晰、積累相關(guān)因素對飛行器的影響 [16]。 （ 1） 電離層測量 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。 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。②對空間飛行器定軌系統(tǒng)的影響：電波信號頻率發(fā)生偏移。③對空間飛行器軌道和姿態(tài)的影響：阻第 31 頁 力增大。④對空間飛行器電源系統(tǒng)的影響：電流泄露和弧光放電。⑤空間飛行器充電效應(yīng)：表面充電和內(nèi)部充電。 因此，需要對電離層的電子密度、碰撞頻率、中性成分、離子成分、電離層溫度等進(jìn)行探測。 （ 2） 地球磁場探測 近地磁場對空間飛行器的影響包括：①影響空間飛行器軌道和姿態(tài)。②影響空間飛行器上磁性儀器的測試精度。因此，需 要對地球磁場的強度、方向等指標(biāo)進(jìn)行探測。 （ 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，其變化與太陽活動密切相關(guān)。其對航天器的影響包括：①空間輻射效應(yīng)：某些高能帶電粒子會與飛行器上所使用的電子元器件和功能材料的相互作用，引發(fā)特殊的空間輻射效應(yīng)，如總電離劑量效應(yīng)、單粒子效應(yīng)等。②太陽出現(xiàn)大耀斑時，會發(fā)出大量的高能帶電粒子，即太陽宇宙線，地球周圍可明顯觀測到。另外再加上沉降粒子的影響，導(dǎo)致電離層電子密度迅速增大，將嚴(yán)重干擾導(dǎo)航、通信和相關(guān)測控活動。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期的，甚至致命的。 第 32 頁 因此，需要對空間中的高能粒子、射線、質(zhì)子、重離子的能譜和通量進(jìn)行探測，以得到粒子的空間分布和運動規(guī)律。 （ 4） 高層大氣 高層大氣與海平面、地面大氣有很大不同。 20~50km 是平流層中的臭氧層，其主要作用是吸收短波紫外線。在 l00~200km，大氣狀況受到太陽活動的強烈影響，各個參數(shù)變化很大。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。在 600~1000km以上，大氣的主要物質(zhì)組成是氫 和氦 [17]。 高層大氣是空間飛行器的主要飛行區(qū)域，高層大氣的密度、溫度、輻射狀況等對空間飛行器的軌道和壽命有一定影響。因此，需要對高層大氣的成分、密度進(jìn)行探測。 針對上述空間中電離層、磁場、高能粒子輻照、高層大氣等因素探測研究需求，需利用探空火箭開展相關(guān)探測工作。探測高度一般在 100~1500km，試驗載荷包括大氣成分探測儀 (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、電場儀、磁強計、朗繆兒探針、射線探測儀、粒子譜線儀、光電倍增管 、光度計等，這些載荷根據(jù)任務(wù)需要，載荷質(zhì)量有所不同，進(jìn)行空間原位探測的試驗載荷通常在 50~100kg?？臻g光學(xué)觀測的項目，具有復(fù)雜的光路系統(tǒng)和制冷設(shè)備，試驗載荷通常在 150kg 以上。 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]。 大氣密度隨海拔高度增加按指數(shù)規(guī)律迅速下降，