【正文】 驗用途廣。 系列化程度高。進而提高火箭發(fā)射頻率。 產(chǎn)品系列化。 設(shè)計標準化。 用途多元化。 國內(nèi)探空火箭發(fā)展現(xiàn)狀 探空火箭項目是中國空間技術(shù)的起步項目之一，火箭的研制始于 1958 年。其中， 60 年代共發(fā)射約 92 枚， 70 年代共發(fā)射約 136 枚， 80 年代共發(fā)射約 27 枚， 90年代共發(fā)射約 4 枚 [12]。利用這些實測數(shù)據(jù)，第 15 頁 我國科技工作者分析研究我國與國際 CIRA86 參考大氣中國區(qū)的差異，編制了中國參考大氣 (地面 ~80km)2020 年版。 （ 2） 試驗用途 氣象火箭是最簡單最常用的火箭類型，因而我國研究的也較早，包括探空七號、探空七號甲 (T7A)、織女一號。另外一些火箭作為取樣火箭。還有一些火箭搭載生物體進行空間生物實驗，例如和平八號火箭 [1]。 表 國內(nèi)主要探空火箭技術(shù)參數(shù)統(tǒng)計表 代號 級數(shù) 起飛質(zhì)量（ kg） 總長度（ m） 最大直徑（ mm） 飛行頂點高度（ km） 有效載荷（ kg） 試驗用途 HP2 2 331 255 72 40 臨近空間氣象探測 HP3 2 225 205 25 取樣火箭 HP5 1 230 255 23 取樣火箭 第 16 頁 HP6 1 80 3 臨近空間氣象探測 HP8 1 240 255 減速傘在高馬赫數(shù)和高速壓情況下性能試驗 T7 2 1160 10 450 60 25 臨近空間氣象探測 T7A 2 1260 460 115 40 臨近空間氣象探測 T7A（ S1） 2 1166 460 76 生物高空飛行試驗 T7A(Y1) 2 1280 460 100 電離層參數(shù)測量 T7A(Y5) 3 1345 460 261 固體發(fā)動機點火系統(tǒng)高空性能試驗 TK1 1 65 150 75 3 臨近空間氣象探測 TK5 1 65 4 122 75 3 臨近空間氣象探測 TJ1A 2 800 460 50 核試驗取樣 TJ2 1 383 360 17 核試驗取樣 ZN1 150 68 3 臨近空間氣象探測 ZN3 2 285 250 148 25 高層大氣探測 TY3 1 1049 456 225 50 微重力實驗 第 17 頁 TY3C 1 1105 456 201 50 子午工程科學(xué)探測 TY3E 1 200 60 空間環(huán)境垂直探測 TY3G 2 1100 456 350 電離層物理實驗 TY4 1 150 204 80 2 臨近空間氣象探測 TY4A 1 150 203 80 臨近空間氣象探測 TY4B 1 137 137 204 80~100 臨近空間氣象探測 TY6 2 5414 750 556 微重力實驗 從上表可以看出，國內(nèi)各系列探空火箭可發(fā)射 3~70kg 載荷，飛行高度大多在30~260km 范圍。 第 18 頁 圖 國內(nèi)幾種典型的探空火箭 根據(jù)上述分析，我國探空火箭起步晚，需求牽引少。歸納來說，主要存在以下差距： 頂層規(guī)劃有待完善。因此，亟需結(jié)合試驗與基礎(chǔ)技術(shù)研究需求，制定統(tǒng)一的探空火箭發(fā)展規(guī)劃、完善發(fā)展型譜，整合資源 ，有步驟、有重點的發(fā)展不同能力、滿足不同需求的探空火箭。在火箭設(shè)計中，還未能將系列化、通用化、標準化的理念貫徹始終，因此造成費用較高、保障難度較大，難以作為試驗消耗品使用。國內(nèi)已發(fā)射探空火箭近 300 次，但相比國外發(fā)達國家千余次的發(fā)射數(shù)量，差距很大。 探空火箭型譜及規(guī)劃方法 探空火箭主要由有效載荷和運載火箭所組成。首先，要求探空火箭型號齊全，能夠滿足不同高度，不同類型的探測需求；其次，時間、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，以期降低開發(fā)、生產(chǎn)、使用維護的費用，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)勢和特點更為顯著地體現(xiàn)。 國外典型探空火箭型譜 美國 NASA 經(jīng)過長時間的發(fā)展，積累了大量的探空火箭研制技術(shù)和發(fā)射經(jīng)驗。采用多級推進、模塊化設(shè)計方案，同時使配套的有效載荷同步實現(xiàn)標準化模塊化，火箭一 二三四級可供選用，更加靈活、可靠。后來逐步在英國科學(xué)研究委員會的領(lǐng)導(dǎo)下，提出了英國國家空間計劃，要求將更重的有效載荷送入更高的高度?，F(xiàn)在“云雀”系列主要的型號是“云雀 5”、“云雀 7”、“云雀 12”，已經(jīng)由很多用戶在不同國家的領(lǐng)土上發(fā)射過。由此可見，模塊化的設(shè)計方法是滿足產(chǎn)品需求多樣化、個性化的有效手段，在一定程度上解決了多樣化需求和有限的成本投入之間的矛盾。并從多方面總結(jié)了模塊化與經(jīng)濟制度發(fā)展變革的關(guān)系 及其內(nèi)在運動機理。 （ 2） 哈佛學(xué)派 1997 年．哈佛大學(xué)商學(xué)院的兩位學(xué)者卡麗斯克拉克發(fā)表了論文 Managing in an age of modularity，引起了業(yè)內(nèi)的極大反響。 2020年，他們出版了《設(shè)計規(guī)則：模塊化的力量》一書，業(yè)內(nèi)公認此書為一部具有里程 碑意義的模塊化理論著作，在他們二人的努力下，業(yè)界逐漸形成了“哈佛學(xué)派”。經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)研究所的池田、慶應(yīng)義塾大學(xué)的國領(lǐng)等學(xué)者分析了日本汽車工業(yè)的優(yōu)勢和競爭力，它們認為日本汽車工業(yè)中的核心企業(yè)如豐田和其他一些零部件供應(yīng)商一同創(chuàng)建了十分高效的模塊化設(shè)計溝通機制，豐田公司提供基礎(chǔ)工業(yè)界面和設(shè)計標準，其他供應(yīng)商可并行開展多種設(shè)計工作，豐田公司保留最終決策權(quán)。1997 年， 在通產(chǎn)省的支持下，成立了信息化研究會及企業(yè)研究會，繼續(xù)模塊化理論的研究與模塊信息一體化發(fā)展的可能實現(xiàn)途徑。 公理化設(shè)計及其研究現(xiàn)狀 在具體設(shè)計工作中，光有理論性的模塊化思想還不夠。設(shè)計者在進行設(shè)計工作時往往手足無措，出現(xiàn)設(shè)計目標模糊，設(shè)計過第 23 頁 程混亂的問題。 人類在長期的生產(chǎn)生活中，需要進行各種各樣的設(shè)計工作，而設(shè)計就是從需求到產(chǎn)品的整個過程，在不斷地實踐過程中，人類積累了大量的方法、技能、工藝等設(shè)計和制造的途徑，它們統(tǒng)稱為“經(jīng)驗”，“經(jīng)驗”在一定程度上反映了人類對客觀事物的把握。 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，并將這些要素進行歸納，總結(jié)了12 條基本公理。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。設(shè)計活動的過程通過四個域之間的某種映射進行和反映。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。 2020 年， Nam P. Suh出版了專著《公理化設(shè)計：進展與應(yīng)用》（ Axiomatic Design: Advances and Application），進一步系統(tǒng)拓展并推廣了理論體系中的內(nèi)涵和外延 [31]。 2020 年， Hrish iKesh V Deo， N P Suh 對汽車減振系統(tǒng)進行了研究，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]。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行進一步挖掘和分析 [41]。但國內(nèi)進行應(yīng)用研究的還不多，應(yīng)用范圍還很有限。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。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。 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。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。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。 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)展趨勢進行了綜述。 第 27 頁 第二章對國內(nèi)探空火箭試驗與研究需求進行綜合分析，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)量等進行歸納、總結(jié)、分析，確立 0~1500km的探測目標。對獨立性公理進行研究和探討，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。 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。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行分析。其需求主要包括試驗任務(wù)和基礎(chǔ)研究兩方面。 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。 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。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)境要素進行測量，以保證滑翔段的氣動辨識精度。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。因此，需要進行空間環(huán)境探測試驗 (100km)，以保證空間飛行器試 驗正常、順利進行。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。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。根據(jù)電磁特性，大氣分為電離層（ 60~ 1000km）、磁層 (1000km以上 )[14] [15]。其中，利用地面雷達進行地基遙感探測，其作用距離相對 有限，衛(wèi)星搭載方式機會相對受限。更重要的是，探空火箭研制成本較低，操作方便，發(fā)射簡單。 （ 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。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。④對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、電離層溫度等進行探測。②影響空間飛行器上磁性儀器的測試精度。 （ 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)。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。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。 （ 4） 高層大氣 高層大氣與海平面、地面大氣有很大不同。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 600~1000km以上，大氣的主要物質(zhì)組成是氫 和氦 [17]。因此，需要對高層大氣的成分、密度進行探測。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，進行空間原位探測的試驗載荷