【正文】 1）設(shè)計(jì)矩陣為對(duì)角陣時(shí)，設(shè)計(jì)方程如下 1 11 12 22 23 33 30 0 ... 00 0 ... 0[ 0 0 ... 0 ]... ... ... ... ... 0 ...0 0 0 ...n nn nF R A D PF R A D PF R A D PF R A D P? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ??? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? () 1 11 12 22 23 33 3... ...n nn nFR A DPFR A DPFR A DPFR A DP? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ???? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? () 第 53 頁 111122223333111......1nnnnFRADPFRADPDPFRADPFRA???????? ???? ???? ???? ?????? ???? ???? ???????????? () 由上式可知，各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù) DPs 和各個(gè)功能要求一一對(duì)應(yīng)， 每個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)只影響一個(gè)功能要求，每個(gè)功能要求只依賴一個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，即功能要求是相互獨(dú)立的，符合獨(dú)立性公理。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。 （ 2）三角陣 包括上三角陣和下三角陣。 基于獨(dú)立性公理的系統(tǒng)模塊化組成方法 由前面幾節(jié)的討論可知，設(shè)計(jì)活動(dòng)是四個(gè)域之間由頂至底的 Zigzagging 映射過程。只有設(shè)計(jì)參數(shù)數(shù)目等 于功能要求數(shù)目，設(shè)計(jì)參數(shù)之間相互獨(dú)立的滿足各個(gè)功能要求，滿足獨(dú)立性公理，表現(xiàn)出理想的設(shè)計(jì)狀態(tài)。當(dāng)設(shè)計(jì)參數(shù) DPs 的數(shù)目大于功能要求 FRs 數(shù)目時(shí)，表現(xiàn)出的設(shè)計(jì)形式有兩種情況：冗余設(shè)計(jì)或耦合設(shè)計(jì)。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。 第 51 頁 1） 元素集成：在總體設(shè)計(jì) 階段，應(yīng)將盡可能多的設(shè)計(jì)特征集成在同一個(gè)模塊上，使其內(nèi)部耦合性強(qiáng)，外部耦合性弱。將獨(dú)立性公理運(yùn)用到實(shí)際的生產(chǎn)生活中時(shí)，還需對(duì)其進(jìn)行具體細(xì)化，用以具體指導(dǎo)設(shè)計(jì)工作。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。 在真實(shí)的設(shè)計(jì)活動(dòng)中，很難保證各個(gè)層級(jí)的設(shè)計(jì)都是非耦合設(shè)計(jì)，但應(yīng)盡量做到準(zhǔn)耦合設(shè)計(jì)。 通過獨(dú)立性公理的闡釋和以上分析，可以得出一個(gè)基本的結(jié)論： 不能簡(jiǎn)單通過功能要求的數(shù)量去判定設(shè)計(jì)的好壞。 若人為確定 DP DP DP5，將 DP DP2作為設(shè)計(jì)的變化量，則新的設(shè)計(jì)方程為 1 1 12 1 2 2 21 0[]2 bbFR A D PFR A A D P?? ???? ? ? ????? () 式 ()中， FR1b 和 FR2b 分別表示 DP DP DP5確定后新的功能要求，可以看出，設(shè)計(jì)矩陣為一對(duì)角陣，是一個(gè)準(zhǔn)耦合設(shè)計(jì)。 第 49 頁 舉例說明，如 FPs 有兩個(gè)，而 DPs 有五個(gè)，設(shè)計(jì)方程如下 1211 13 141321 22 23 25245000DPDPA A AFRDPA A A AFRDPDP??????? ???? ? ??? ? ? ???? ? ??? ???????? () 這種情況下，設(shè)計(jì)的形式在于將哪些設(shè)計(jì)參數(shù)人為確定下來，而哪些設(shè)計(jì)參數(shù)可變化。 （ 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。 舉例說明，如 FRs 有三個(gè)，但 DPs 只有兩個(gè)，設(shè)計(jì)方程如下 1 `223 3 1 3 200F R X DPF R X DPF R A A? ? ? ? ??? ? ????? ? ? ??? ??? ??? ? ?? () 式 中，若 A31和 A32均為 0，那么功能 FR3 無法滿足。 圖 設(shè)計(jì)矩陣為一般陣 （ 2） hy hy,即功能要求 FRs 的數(shù)量大于設(shè)計(jì)參數(shù) DPs 的數(shù)量。 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)。下面分情況討論?？梢钥闯?， DP1 對(duì)所有功能要求都有影響， DP2 對(duì) FR1 和 FR3 有影響， DP3只對(duì) FR3 有影響。式（ ）稱之為設(shè)計(jì)方程。它們之間的關(guān)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(shè)計(jì)參數(shù)向量。 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。這樣做的好處是可以使設(shè)計(jì)的工作量最小，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單。簡(jiǎn)而言之，要求保持功能要求的獨(dú)立性， 即當(dāng)有一個(gè)以上的 FRs 時(shí)，設(shè)計(jì)方案必須滿足每一個(gè)FRs，同時(shí)每一個(gè) FRs 之間互不影響 [22]。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。若 DP1選擇“小型電動(dòng)車”，則它所確定的下一層 FRs 就會(huì)不同。 圖 功能域向物理域的 Zigzagging映射原理圖 舉例說明，例如頂層功能 FR1 是“便攜式交通工具”，這個(gè)功能較為抽象，若要將 FR1 從頂至底逐層分解，就必須先確定滿足 FR1 的 結(jié)構(gòu)參數(shù) DP1。 在尋找到與之相映射的物理域中第 i 層設(shè)計(jì)參數(shù) DPs 后，才可以進(jìn)行分解操作而得到第（ i+1）層功能需求的?；蛘邚牧硪粋€(gè)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(shè)計(jì)參數(shù) DPs，以 第 i 層設(shè)計(jì)參數(shù) DPs 為基礎(chǔ)再向下映射，才可得到第（ i+1）層功能需求。總功能得到滿足后，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)。不同的是，公理化設(shè)計(jì)的層級(jí)規(guī)劃需要相鄰兩域之間不斷進(jìn)行 Zigzagging 映射（之字形映射或鋸齒映射），即相鄰的“ WHAT”與“ HOW”域互相影響 和制約，“ WHAT”域依賴于“ HOW”域?qū)ζ涞慕鉀Q方案或滿足手段，而某一層次的“ HOW”域?qū)⒅笇?dǎo)下一層次的“ WHAT”域的規(guī)劃。 （ 2）層級(jí)與 Zigzagging 映射 層級(jí)意即公理化設(shè)計(jì)體系中某域的層次結(jié)構(gòu)，直觀表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)樹形式。 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)過程都可 由這四個(gè)域來描述。物理域是功能域的進(jìn)一步表達(dá)，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)。 2）功能域 功能域是用戶域的進(jìn)一步表達(dá)，它把用戶域的內(nèi)容用功能需求（ FRs）表示，或者進(jìn)一步增添各類約束（ Cs）。 圖 域的結(jié)構(gòu) 1）用戶域 用戶域，又稱顧客域。設(shè)計(jì)空間分為四個(gè)域 [23]：用戶域、功能域、物理域、過程域。三類火箭對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功能模塊的需求，如表 所示。本文構(gòu)建以發(fā)動(dòng)機(jī)模塊為核心的系列化探空火箭型譜。另一方面，發(fā)動(dòng)機(jī)具有典型性和通用性，可以構(gòu)成系列。 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 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。功能模塊以功能為落腳點(diǎn)，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(jī)結(jié)合在一起，完成系統(tǒng)的任務(wù)?；诳臻g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 1500km以內(nèi)探測(cè)高度的深空探測(cè) 火箭?；谂R近空間飛行試驗(yàn)、導(dǎo)彈試驗(yàn)、空間飛行器試驗(yàn)及大氣模型建立、空間科學(xué)探測(cè)等需求，重點(diǎn)發(fā)展一類 100km 以內(nèi)探測(cè)高度的高空氣象探測(cè)火箭。 以發(fā)動(dòng)機(jī)為功能模塊的模塊化需求 本文針對(duì)未來裝備試驗(yàn)和技術(shù)研究 對(duì)探空火箭的需求，突出模塊化的設(shè)計(jì)方法，著眼于實(shí)現(xiàn)探空火箭“體系化、系列化、通用化、標(biāo)準(zhǔn)化”建設(shè)。③對(duì)生產(chǎn)組織的貢獻(xiàn)。②有利于有效控制成本和提高工作效率。 模塊化設(shè) 計(jì)有以下優(yōu)點(diǎn)：①對(duì)產(chǎn)品研發(fā)的貢獻(xiàn)。 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 模塊化設(shè)計(jì)，通過多種模塊構(gòu)成子系統(tǒng)，通過子系統(tǒng)之間多樣化的有機(jī)結(jié)合方式構(gòu)成產(chǎn)品系統(tǒng)。 本章根據(jù)系統(tǒng)模塊化原理，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。 實(shí)現(xiàn)系列化的根本技術(shù)途徑是采用系統(tǒng)模塊化方法和模塊化設(shè)計(jì)。 面對(duì)日益增長(zhǎng)的各類探測(cè)需求，也為了擴(kuò)大應(yīng)用范圍和提高經(jīng)濟(jì)效益，探空火箭將進(jìn)一步向固體化、系列化、低成本的方向發(fā)展。第三章 基于獨(dú)立性公理的模塊化發(fā)動(dòng)機(jī)方案選擇 引言 如第二章所述，探空火箭已經(jīng)從早期的氣象探測(cè)、核試驗(yàn)取樣、生物實(shí)驗(yàn)等第 38 頁 傳統(tǒng)探測(cè)項(xiàng)目，發(fā)展到長(zhǎng)時(shí)間微重力實(shí)驗(yàn)、極光焦耳熱效應(yīng)、稀薄大氣電加熱、離子漂移與分布函數(shù)、電子溫度與密度、 外逸層極尖區(qū)離子外流等各類新型地球物理探測(cè)項(xiàng)目和新型空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。 第 37 頁 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?。另一類結(jié)合空間飛行器試驗(yàn)、大氣模型建立、空間科學(xué)探測(cè)、微重力研究、空間技術(shù)驗(yàn)證等需求，發(fā)展 100~1500km探測(cè)高度的探空火箭。 總之，探空火箭是一種較為理想的空間新技術(shù)驗(yàn)證平臺(tái)，可以搭載幾千克到幾百千克的載荷，送至幾十到千余千米高度，進(jìn)行新技術(shù)、新器件、新材料的驗(yàn)證。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。在這一點(diǎn)上，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家走在了先列。探空火箭被賦予了新的重要角色 —— 空間新技術(shù)驗(yàn)證。 如前文所述，微重力試驗(yàn)火箭應(yīng)在保證一定箭頭質(zhì)量情況下，達(dá)到盡可能高的彈道高度，從而得到盡可能長(zhǎng)的微重力試驗(yàn)時(shí)間，充分發(fā)揮微重力試驗(yàn)火箭獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。 綜上所述，國(guó)外微重力火箭是首先 發(fā)展“短時(shí)間探空火箭”，并把它作為主要工具大量地廣泛用子微重力科學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究，在此基礎(chǔ)上少量發(fā)展“長(zhǎng)時(shí)間探空火箭”，至今這種“長(zhǎng)時(shí)間探空火箭”還不成熟 [18]。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。從圖 可知，要使微重力試驗(yàn)時(shí)間從 5~7 分鐘增加到 12~14 分鐘，彈道頂點(diǎn)高度需從200~300km 增加到 700~900km。 圖 給出的是箭頭飛行的彈道頂 點(diǎn)高度與可能提供的微重力試驗(yàn)時(shí)間的大致關(guān)系（ g/g0的量級(jí)為 104）?！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。因此微重力試驗(yàn)火箭以其較高的性價(jià)比一直受到各國(guó)科學(xué)家的重視。表 所示地球重力場(chǎng)中產(chǎn)生微重力的各種方法中，微重力試驗(yàn)火箭是僅次于軌道方法的一種試驗(yàn)手段。利用探空火箭進(jìn)行微重力試驗(yàn)時(shí)，微重力試驗(yàn)載荷一般安裝在頭部質(zhì)心附近，且箭頭在