【正文】 境探測(cè)，從數(shù)量上看以氣象火箭為主，比較有代表性的是 Loki、 Arcas 等，以此獲得了大量臨近空間氣溫、氣壓、風(fēng)場(chǎng)、大氣成分、電子密度等探測(cè)資料 [8]。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]。以上這些國(guó)家從上世紀(jì) 70 年代開始就開展了大量常規(guī)氣象探測(cè)活動(dòng)。 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。 70 年代中后期，年發(fā)射量可以達(dá)到 80 枚左右。其中，美國(guó)主要的航天發(fā)射場(chǎng)如 Vandenberg 空軍基地、 Kennedy 空間中心、 WALLOPS第 7 頁(yè) 飛行研究所、白沙導(dǎo)彈靶場(chǎng)都建有固定的探空火箭發(fā)射場(chǎng)。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)。 探空火箭國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì) 發(fā)展現(xiàn)狀 1945 年，美國(guó)發(fā)射了世界首枚探空火箭“女兵下士”。 （ 4）研制費(fèi)用低，研制周期短。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。 （ 2）可直接測(cè)量大氣參數(shù)的垂直分布，特別適于研究全國(guó)性的或地區(qū)性的高第 6 頁(yè) 空大氣模式、高空電離層模式等。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]。微重力火箭可以提供一個(gè)水平較高、時(shí)間適中的微重力環(huán)境，應(yīng)用于一系列微重力實(shí)驗(yàn)研究 [2]。探空火箭為近代火箭技術(shù)發(fā)展過程中研制較早、用途廣泛的一種實(shí)用火箭 [1]。 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。型譜初步實(shí)現(xiàn)了模塊化，用盡量少的發(fā)動(dòng)機(jī)模塊完成盡可能多的探測(cè)任務(wù)，氣動(dòng)外形同步實(shí)現(xiàn)模塊化，一定程度上提高了模塊化程度。運(yùn)用解耦法對(duì)兩種二級(jí)探空火箭和進(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)探空火箭和四級(jí)探空火箭進(jìn)行統(tǒng)一的氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與尾翼的模塊化集成。 建立探空火箭的彈道、氣動(dòng)計(jì)算模型。探空火箭的系列化、模塊化設(shè)計(jì)是進(jìn)行體系構(gòu)建的必由之路，確定以發(fā)動(dòng)機(jī)作為功能模塊進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。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，亟需開展探空火箭系統(tǒng)型譜規(guī)劃工作。 本文對(duì)國(guó)內(nèi)探空火箭需求進(jìn)行綜合分析。采用基于獨(dú)立性公理的系統(tǒng)模塊化組成方法，指導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)方案選擇。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。最終得到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。型譜覆蓋范圍較廣、模塊化程度較高，體現(xiàn)了較好的經(jīng)濟(jì)效益。 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)。氣象火 箭可以在垂直方向上對(duì)各種大氣參數(shù)進(jìn)行原位測(cè)量，地球物理火箭主要用于了解多種空間物理現(xiàn)象，從而為空間科學(xué)研究提供基礎(chǔ)。 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。概括起來，探空火箭有以下顯著優(yōu)點(diǎn) [1]： （ 1）在 30km200km 高度范圍內(nèi)可以進(jìn)行原位測(cè)量，填補(bǔ)了高空氣球和人造衛(wèi)星探測(cè)不到的高度區(qū)域。 （ 3）操作方便，發(fā)射簡(jiǎn)單。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)。 近年來，隨著臨近空間飛行器、導(dǎo)彈武器試驗(yàn)的不斷增加，我國(guó)對(duì)空間環(huán)境探測(cè)需求日益迫切，亟需開展探空火箭系統(tǒng)規(guī)劃論證工作，實(shí)現(xiàn)持續(xù)科學(xué)發(fā)展。到目前為止，大部分發(fā)達(dá)國(guó)家都非常重視以探空火箭為手段的科學(xué)探測(cè)任務(wù)。 （ 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]。以白沙導(dǎo)彈靶場(chǎng)為例，在 1959 年 ~1966 年共發(fā)射探空火箭 1530 枚， 1964 年發(fā)射量達(dá) 290 枚。近年來 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]。亞洲方面，日本受戰(zhàn)敗后的國(guó)際條約的制約，無(wú)法發(fā)展進(jìn)攻性武器，于是許多軍工企業(yè)轉(zhuǎn)而發(fā)展類似于探空火箭這樣的項(xiàng)目。如日本三陸町氣象火箭探測(cè)站，從 1970 年至 2020 年共發(fā)射1119 枚 MT135 氣象火箭，平均每旬發(fā)射一枚。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]。利用這些資料，美國(guó)相第 8 頁(yè) 關(guān)靶場(chǎng)統(tǒng)計(jì)分析了中高層大氣環(huán)境參數(shù)的時(shí)空分布規(guī)律，建立了靶場(chǎng)參考大氣模型，有效滿足 了阿波羅工程、航天飛機(jī)、彈道導(dǎo)彈、臨近空間飛行器研制任務(wù)大氣環(huán)境輸入要求。 同時(shí)，美國(guó)利用戰(zhàn)斧等飛行器，開展了豐富的高層大氣結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)特性研究。 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，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。 德國(guó)的空間環(huán)境探測(cè)任務(wù)主要由德國(guó)宇航中 心（ DLR）開展，在臨近空間環(huán)境探測(cè)方面以中間層和電離層探測(cè)為主。目前，歐空局（ ESA）各國(guó)利用探空火箭，在微重力研究方面開展了較多工作，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)量見表 [9][10]。 表 歐洲微重力試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)單元模塊數(shù)量 型號(hào) 材料科學(xué) 流體科學(xué) 生命科學(xué) 燃燒科學(xué) 基礎(chǔ)物理 MiniTEXUS 0 2 0 2 0 TESUX 1 12 0 2 0 MASER 2 16 8 0 1 MAXUS 5 11 6 0 0 小計(jì) 8 41 14 4 1 比例 % % % % % 表 歐洲微重力試驗(yàn)各類試驗(yàn)單元重量分布 質(zhì)量 材料科學(xué) 流體科學(xué) 生命科學(xué) 燃燒科學(xué) 基 礎(chǔ)物理 小計(jì) 比例 ＜ 50kg 1 11 11 0 0 23 % 50~90kg 5 25 25 1 1 57 % ＞ 90kg 1 5 5 3 0 14 亞洲來看，日本探空火箭事業(yè)起步早，成果多。 美國(guó)是空間探測(cè)大國(guó)，其使用的型號(hào)種類居世界首位，主要使用的探空火箭第 12 頁(yè) 有 Arcas 系列（ 52km~100km）、 Loki 系列（ 50km~100km）和黑雁系列（ 70~1500km）。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) %。 （ 4）特點(diǎn) 從國(guó)外探空火箭發(fā)展現(xiàn)狀來看，主要有以下特點(diǎn)： 發(fā)射頻度高。 試