【正文】 火箭主動(dòng)段結(jié)束后進(jìn)入被動(dòng)段，作慣行飛行到一定高度時(shí)即與箭體分離。 大氣密度隨海拔高度增加按指數(shù)規(guī)律迅速下降，海拔高度 l00km 公里處的大氣密度大約為海平面處大氣密度的百萬(wàn)分之一。空間光學(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。 針對(duì)上述空間中電離層、磁場(chǎng)、高能粒子輻照、高層大氣等因素探測(cè)研究需求，需利用探空火箭開(kāi)展相關(guān)探測(cè)工作。 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(duì)空間飛行器的軌道和壽命有一定影響。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。 20~50km 是平流層中的臭氧層，其主要作用是吸收短波紫外線。 第 32 頁(yè) 因此，需要對(duì)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(cè)，以得到粒子的空間分布和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。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(cè)控活動(dòng)。其對(duì)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(huì)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。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)。 （ 2） 地球磁場(chǎng)探測(cè) 近地磁場(chǎng)對(duì)空間飛行器的影響包括：①影響空間飛行器軌道和姿態(tài)。⑤空間飛行器充電效應(yīng)：表面充電和內(nèi)部充電。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。 電離層對(duì)空間活動(dòng)的影響主要包括：①對(duì)空間飛行器通信系統(tǒng)的影響：電波時(shí)延、信號(hào)衰落、通信質(zhì)量下降、電波信號(hào)丟失和產(chǎn)生噪聲。因此，利用探空火箭，配合地基遙感探測(cè)和衛(wèi)星探測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)空間中的電離層、磁場(chǎng)、高能粒子輻照、高層大氣等進(jìn)行探測(cè)，掌握地球大氣與太陽(yáng)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(duì)飛行器的影響 [16]。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(cè)量的優(yōu)點(diǎn)。 目前，進(jìn)行空間科學(xué)探測(cè)主要有地基遙感、衛(wèi)星探測(cè)和探空火箭等手段。 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）。 參考大氣模型構(gòu)建需要原始觀探測(cè)資料，除常規(guī)地面探測(cè)數(shù)據(jù)、衛(wèi)星探測(cè)數(shù)據(jù)及數(shù)值預(yù)報(bào)分析數(shù)據(jù)外，探空火箭探測(cè)數(shù)據(jù)是大氣環(huán)境參數(shù)測(cè)量的 關(guān)鍵數(shù)據(jù)。 基礎(chǔ)研究需求 大氣模型建立 參考大氣是表征真實(shí)地球大氣溫度、壓強(qiáng)、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(jì)、彈道模型建立、航天器軌道控制和預(yù)報(bào)等重要輸入條件。 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。 高速再入飛行器依靠空氣動(dòng)力在大氣層內(nèi)進(jìn)行一定范圍的機(jī)動(dòng)飛行，可有效提高突防 能力。 臨近空間大氣環(huán)境要素是臨近空間飛行器設(shè)計(jì)研制、飛行試驗(yàn)、考核定型等階段不可缺少的重要輸入條件。本章主要針對(duì)不同類(lèi)型任務(wù)需求開(kāi)展分析，并對(duì)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(yàn)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)。 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)。 第五章使用解 耦法對(duì)兩種二級(jí)探空火箭探測(cè) 2 和探測(cè) 3 進(jìn)行氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)，使用無(wú)量綱加權(quán)法對(duì)三級(jí)探空火箭探測(cè) 4 和四級(jí)探空火箭探測(cè) 5 進(jìn)行統(tǒng)一的氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)?；讵?dú)立性公理，進(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(jì)一般流程，并以此為基礎(chǔ)，指導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)方案選擇。 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(lèi)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。對(duì)系統(tǒng)模塊化理論和公理化設(shè)計(jì)理論做了初步的介紹。故本文對(duì)系列化探空火箭型譜進(jìn)行氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步完善型譜性能。此外，探空火箭的氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)也至關(guān)重要。同時(shí)，動(dòng)力系統(tǒng)在探空火箭成本構(gòu)成中占較大比例。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。 本文研究思路和內(nèi)容安排 如前文所述，我國(guó)亟需建立系統(tǒng)的、能夠完成各種探測(cè)任務(wù)的探空火箭型譜。在航空航天領(lǐng)域更是少見(jiàn)相關(guān)研究。 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。 國(guó)內(nèi)對(duì)公理化設(shè)計(jì)的研究才剛剛起步，應(yīng)用研究較少，應(yīng)用范圍還不廣泛。 2020 年， J W Melvin ， N P Suh 對(duì)公理化設(shè)計(jì)理論的仿真環(huán)境進(jìn)行構(gòu)建，并第 25 頁(yè) 將其應(yīng)用在汽車(chē)機(jī)械主軸設(shè)計(jì)中 [32]； P Ge， S C– Y. Lu， N P Suh 對(duì)基于目標(biāo)瀑布的工程系統(tǒng)參數(shù)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了推導(dǎo)，并討論研究了相關(guān)方法在汽車(chē)設(shè)計(jì)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(jì)方法 [34]。 進(jìn)入 21 世紀(jì)，國(guó)外應(yīng)用公理化理論體系的領(lǐng)域更廣泛。 截至目前，公理化設(shè)計(jì)方法在很多西方發(fā)達(dá)國(guó)家得到了廣泛的推廣和應(yīng)用，是產(chǎn)品設(shè)計(jì)理論和方法學(xué)的重要生力軍。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。后經(jīng)過(guò) Suh 教授團(tuán)隊(duì)的不懈努力和大力推廣，形成了產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段最重要的“獨(dú)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(jì)方法和理念 —— 公理化設(shè)計(jì)的概念誕生了。 1977 年， MIT 機(jī)械工程系教授 Nam P .Suh，在當(dāng)時(shí)系主任的支持下，成立了“制造和生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)室”，該實(shí)驗(yàn)室的基本任務(wù)是建立設(shè)計(jì)和制造的基本原則，使得在產(chǎn)品設(shè)計(jì)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]。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。系列化探空火箭型譜總體設(shè)計(jì)這樣的復(fù)雜任務(wù)，總體設(shè)計(jì)參數(shù)多，任務(wù)種類(lèi)多，各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)之間耦合較密切。它們被稱為“日本學(xué)派”。日本學(xué)者們認(rèn)為這是日本汽車(chē)工業(yè)相比歐洲的核心競(jìng)爭(zhēng)力。 （ 3） 日本學(xué)派 模塊化理論在日本的發(fā)展一直很先進(jìn)，日本學(xué)者長(zhǎng)期以來(lái)關(guān)注模塊化理論在汽車(chē)工業(yè)中的發(fā)展與應(yīng)用。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)。鮑德溫和金他以硅谷為研究對(duì)象，提出了“硅谷現(xiàn)象”，公認(rèn)其人為研究現(xiàn)代化模塊化理論的權(quán)威之一。 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)。 模塊化設(shè)計(jì)方法 如 節(jié)所述，國(guó)外先進(jìn)探空火箭系統(tǒng)都很重視型譜的模塊化程度，合理設(shè)計(jì)幾種較優(yōu)的發(fā)動(dòng)機(jī)模塊，通過(guò)不同的組合方式達(dá)到不同的發(fā)射性能和探測(cè)高度，構(gòu)成了從單級(jí)到多級(jí)的系列化探空火箭型譜，覆蓋的探測(cè)任務(wù)較廣泛。因而，需要研制更強(qiáng)大的發(fā)動(dòng)機(jī)組，“云雀”采取的措施是增加助推器，有效提高了運(yùn)載能力，第 21 頁(yè) 在 TEXUS 微重力計(jì)劃中發(fā)揮了重要的作用。 圖 NASA探空火箭型譜 又如英國(guó)主導(dǎo)研制的“云雀”系列探空火箭，早期的云雀火箭是單級(jí)的，使用 Raven 固體發(fā)動(dòng)機(jī)，性能可靠。第 20 頁(yè) 隨著研制工作的不斷開(kāi)展，并配合美國(guó)科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)驗(yàn)證的需求， NASA 形成了以“黑雁”系列探空火箭為主體的系列化探空火箭型譜，如圖 所示，十枚探空火箭從一級(jí)的“獵戶座改”到四級(jí)的“黑雁 12”，構(gòu)成了其探空火箭項(xiàng)目的型譜。因而，探空火箭研制部門(mén)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(mén)選用，這應(yīng)該成為探空火箭研制的發(fā)展方向?，F(xiàn)代科學(xué)探測(cè)的多樣化和多需求對(duì)探空火箭 系統(tǒng)提出了更高的要求。沒(méi)有一定的發(fā)射數(shù)量，難以完成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的積累，嚴(yán)重制約了國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)大氣模型建立，一定程度上影響了國(guó)內(nèi)航天事業(yè)的發(fā)展。 第 19 頁(yè) 發(fā)射頻率有待增加。 火箭成本有待降低。針對(duì)相關(guān)科研試驗(yàn)需求，國(guó)內(nèi)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，但通用性不強(qiáng)，能力與需求還有較大差距，缺少統(tǒng)一的頂層規(guī)劃。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)次數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家。相比國(guó)外探空火箭，運(yùn)載能力、飛行高度還相對(duì)較低，應(yīng)用范圍還是以氣象探測(cè)為主，用途相對(duì)單一 ，電離層、磁場(chǎng)等空間探測(cè)活動(dòng)及微重力試驗(yàn)進(jìn)行的較少。 （ 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 。伴隨核試驗(yàn)一同研發(fā)，用以采集核爆炸后的放射性微粒，例如挺近二號(hào)火箭。其中，織女一號(hào)火箭運(yùn)用了包括推力程序優(yōu)化在內(nèi)的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，達(dá)到了良好的探測(cè)效果。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]。 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(fēng)向、風(fēng)速等探測(cè)資料。 （ 1） 發(fā)射頻度 至 20 世紀(jì)末，累計(jì)己在酒泉、馬蘭、昆明、海南等 地發(fā)射了近 260 枚各類(lèi)探空火箭，半數(shù)以上為氣象火箭，這些火箭都是靠尾翼穩(wěn)定飛行的無(wú)控火箭 [11]。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。探測(cè)任務(wù)的多樣化、火箭的復(fù)雜性和火箭的研發(fā)成本永遠(yuǎn)是一對(duì)矛盾 ，只有采用標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)思想，才能為頂層規(guī)劃提供方便，致力于研發(fā)可供各類(lèi)探測(cè)任務(wù)所用的基礎(chǔ)型箭載設(shè)備，有利于為各種有效載荷提供合適的平臺(tái)。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。 第 13 頁(yè) 圖 美國(guó)主要使用的探空火箭 發(fā)展趨勢(shì) 綜合分析國(guó)外技術(shù)發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，探空火箭發(fā)展趨勢(shì)體現(xiàn)在產(chǎn)品系列化、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、用途多元化三個(gè)方面。國(guó)外探空火箭系列化程度高，組合化、模塊化使用，如黑雁系列中，黑雁 5 是基本型，在此型基礎(chǔ)上增加不同助推器或小型上面級(jí)，即可構(gòu)成其它型號(hào)，有效保證了火箭低成本 、系列化發(fā)展。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(kāi)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。截至目前，以美國(guó)、日本為首的發(fā)達(dá)國(guó)家已完成千余次探空火箭發(fā)射試 驗(yàn)，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(chǔ)數(shù)據(jù)，為建立標(biāo)準(zhǔn)大氣模型等基礎(chǔ)性工作奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。后續(xù)的黑雁系列探空火箭采用多級(jí)推進(jìn)、模塊化設(shè)計(jì)方案，火箭一二三四級(jí)可供選用，更加靈活、可靠，是目前使用最為廣泛的探空火箭。 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)。其一直注重和西方國(guó)家的合作，不僅在常規(guī)探測(cè)項(xiàng)目上成績(jī)喜人，更在包括赤道區(qū)高層大氣等特色項(xiàng)目上進(jìn)行了佷多的研究。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 。瑞典的空間探測(cè)首先立足于它處于極光區(qū)的特殊地理位置，研究范圍主要是電離層、高空磁場(chǎng)、極光、高空大氣成分等。此外，也發(fā)射過(guò)各種特殊用途的探空火箭，如為核試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證而發(fā)射的取樣火箭等。從表 可以看出，自上世紀(jì) 60 年代，美國(guó)就開(kāi)始了電離層、磁場(chǎng)、微重力等多種類(lèi)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)。綜合利用探空火箭、常規(guī)氣象探測(cè)以及衛(wèi)星探測(cè)資料，美國(guó)在歷史上先后推出美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)大氣 1976 年版、卡納維納爾角靶場(chǎng)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(kāi)發(fā)使用地球環(huán)境（氣候）標(biāo)準(zhǔn)指南 2020 年版等 [4]。 （ 2） 試驗(yàn)用途 自上世紀(jì) 60 年代以來(lái)，美國(guó)發(fā)射了大量探空火箭進(jìn)行空間環(huán)