【正文】 通常在 50~100kg。 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]。這就是說，在海拔高度 100km 以上的高空，大氣極其稀薄，在那里運(yùn)動的物體 (如探空火箭的頭部 )所受到 的空氣動力與其重力之比是一個小量。因此，只要在箭頭單獨(dú)飛行時，其飛行高度足夠高 (一般認(rèn)為 100km 以上 )、轉(zhuǎn)動角速度足夠小 (例如 ~1r/min)，則在箭體頭部內(nèi)部距其質(zhì)心足夠近 (例如距質(zhì)心 ~)的范圍內(nèi)微重力水平可望達(dá)到 104g0量級。微重力試驗火箭與高塔或 落管投放、高空氣球投放、飛機(jī)作拋物線飛行等產(chǎn)生微重力的方法相比，技術(shù)成熟、可靠性高、價格低廉、靈活性好，同時微重力值穩(wěn)定，具有足夠的微重力實驗時間。 表 各種微重力試驗手段概述 試驗類型 非軌道方法 軌道方法 試驗手段 高塔 落管投放 高空氣球 投放 飛機(jī)作拋 物線飛行 探空火箭 慣性飛行 人造衛(wèi)星 載人飛船 航天飛機(jī) 空間站 微重力水平（ g0） 106~103 105~103 103~101 106~104 107~105 105~103 107~103 第 34 頁 微重力持續(xù)時間 10 秒 90 秒 60 秒 5~14 分鐘 幾天 ~幾年 5~15 天 長期 微重力火箭的主要技術(shù)指標(biāo)是箭頭質(zhì)量，微重力實驗時間和微重力值。國外 70 年代研制的“短時間探空火箭”箭頭質(zhì)量一般為 350kg左右， 80 年代后期達(dá)到 390~450kg，“長時間探空火箭”的箭頭質(zhì)量則要大得多，瑞典的 MAXUS 為 700kg。從圖可見：在彈道頂點(diǎn)高度 100~300km 的范圍內(nèi)，隨彈道頂點(diǎn)高度的上升，微重力試驗時間的增長十分明顯；在彈道頂點(diǎn)高度大于300km 的范圍內(nèi)，隨彈道頂點(diǎn)高度的上升，微重力試驗時間的增長變慢。 H ( k m )T(min)1 0 0 3 0 0 5 0 0 7 0 0 9 0 0 1 1 0 0135791 11 31 5 圖 火箭彈道頂點(diǎn)高度與微重力試驗時間的關(guān)系 第 35 頁 長時間微重力火箭必須解決大質(zhì)量 (700kg)、高彈道 (800km 以 上 )、圓錐 圓柱型箭頭的再入防熱和回收問題，同時需研制適合于垂直飛行的火箭控制系統(tǒng)，在箭頭箭體分離后，該系統(tǒng)又能代替速率控制系統(tǒng)的功能。因此，其技術(shù)難度，研制和發(fā)射的成本很高，日本的 TRIA 火箭，從其運(yùn)載能力來說，完全可以作為長時間探空火箭，但日本寧可將箭頭質(zhì)量增加到 1500kg，飛行高度確定為 290km，只把它作“短時間探空火箭”來使用，究其原因，恐與“長時間探空火箭”技術(shù)難度大、研制和發(fā)射成本高有關(guān)。故本文只研究“短時間微重力火箭”。 空間新技術(shù)驗證 隨著空間科學(xué)研究的不斷深入和人類探測領(lǐng)域的進(jìn)一步擴(kuò)展，許多新技術(shù)應(yīng)第 36 頁 運(yùn)而生，有些技術(shù)的應(yīng)用環(huán)境是地面無法模擬的。探空火箭能夠提供一個高真空、強(qiáng)振動、大過載等空間飛行環(huán)境條件，許多新技術(shù)、新器件、新材料都可以通過探空火箭進(jìn)行測試和驗證。 隨著中國綜合國力的日漸強(qiáng)盛和導(dǎo)彈航天事業(yè)的突飛猛進(jìn)，西方一些發(fā)達(dá)國家進(jìn)一步加強(qiáng)了對我國的技術(shù)封鎖，尤其在導(dǎo)彈航天方面更是如此。那么，正式任務(wù)前的飛行驗證就至關(guān)重要，通過探空火箭獲取一定飛行條件下的飛行數(shù)據(jù)，將為其在空間飛行器上的進(jìn)一步應(yīng)用提供基礎(chǔ)，進(jìn)而加強(qiáng)正式飛行 任務(wù)時的保障。 需求綜合分析 綜合上述分析，探空火箭可分為兩類，一類針對飛行器飛行試驗等任務(wù)需求，以氣象探測為主，發(fā)展 100km 以內(nèi)探測高度的氣象探測火箭。需求統(tǒng)計詳見表 。通過對任務(wù)特點(diǎn)的分析，提出不同任務(wù)對探空火箭的主要性能指標(biāo)要求，為探空火箭型譜規(guī)劃奠定基礎(chǔ)。自然的，對火箭的要求更高，需要探測的高度更高，跨度更大。其中，系列化的目的，在于解決產(chǎn)品種類的有限性和使用需求的廣泛性之間的矛盾，用較少的品種和規(guī)格的產(chǎn)品來最大限度、且較經(jīng)濟(jì)合理地滿足需求 [19]，探空火箭的系列化規(guī)劃至關(guān)重要，便于適應(yīng)運(yùn)載質(zhì)量和運(yùn)載高度的不同要求。 基于系統(tǒng)模塊化原理的系列化探空火箭型譜規(guī)劃，有助于提高研發(fā)效率、降低研制成本、縮短研發(fā)周期、提高火箭系統(tǒng)可靠性 [20][21]。采用獨(dú)立性公理方法，對型譜的發(fā)動機(jī)組成進(jìn)行分析，得到設(shè)計功能相互獨(dú)立的準(zhǔn)耦合設(shè)計模型，指導(dǎo)發(fā)動機(jī)方案選擇。通過模塊化設(shè)計，構(gòu)成型譜，從中選擇構(gòu)成不同的產(chǎn)品，滿足不同的需求。模塊高度集成了已有的知識經(jīng)驗，代表一種優(yōu)良的功能，在產(chǎn)品設(shè)計中使用這些成熟的模塊，可以大幅降低設(shè)計風(fēng)險，提高可靠性。成熟模塊設(shè)計的重用、并行的產(chǎn)品開發(fā)和測試，可以大大縮短生產(chǎn)制造周期。模塊化后，設(shè)計任務(wù)很自然的分解成幾個部分，這就為不同團(tuán)隊的分工合作提供了可能，只要團(tuán)隊間規(guī)范合作形式和彼此之間的信息、物質(zhì)、能量接口，就可能實現(xiàn)更為并行化的研發(fā)。 根據(jù) 節(jié)的需求分析，將探空火箭根據(jù)探測高度的不同，劃分為三類?；诖髿饽Ｐ徒?、空間科學(xué)探測、微重力研究、空間新技術(shù)驗證的需求，發(fā)展一類 600km 以第 40 頁 內(nèi)探測高度的空間環(huán)境探測火箭。 模塊總體來說分為兩大類：功能模塊和制造模塊。制造模塊以制造工藝為落腳點(diǎn)，主要考慮加工制造中的工藝環(huán)節(jié)，將某些零部件根據(jù)制造加工中的工藝要求進(jìn)行人工合成，人為合成符合加工要求的裝配模塊 [22]。同時，發(fā)動機(jī)在探空火箭成本構(gòu)成中也占較大比例?？稍O(shè)計一系列發(fā)動機(jī)，通過不同發(fā)動機(jī)的組合，構(gòu)成多種多級火箭。 針對試驗任務(wù)和基礎(chǔ)研究需求，綜合考慮探測高度和載荷質(zhì)量要求，對探空火箭型譜進(jìn)行了分類，主要分為高空氣象探測、空間環(huán)境探測、深空探測三類 火箭。 公理化設(shè)計理論及其數(shù)學(xué)模型 第 42 頁 基本概念 （ 1）域 域是整個公理化設(shè)計體系中的基礎(chǔ)概念，公理化設(shè)計理論體系通過域來描述設(shè)計活動。域的相關(guān)結(jié)構(gòu)如圖 所示，相鄰的兩個域之間存在著相互映射的過程關(guān)系，左邊的域表示“需要完成的任務(wù)或功能（ WHAT） ”，而右邊的域表示“實現(xiàn)完成任務(wù)或功能的方法、手段、策略（ HOW） ”[24]。 用戶域表示用戶想要達(dá)到的效果，或者說用戶要求產(chǎn)品具備的屬性。 第 43 頁 3）物理域 物理域，又稱結(jié)構(gòu)域。 4）過程域 過程域是結(jié)構(gòu)域的進(jìn)一步表達(dá)，它根據(jù)物理域中的設(shè)計參數(shù)制定相應(yīng)的工藝過程以及工藝過程變量。故公理化設(shè)計提供了一個典型性的框架，使所有的設(shè)計具有普遍意義。如前文所述，左邊的域是“ WHAT”域，右邊的域是“ HOW”域，設(shè)計者需要將某個域從抽象概念或總體設(shè)計至詳細(xì)設(shè)計參數(shù)從頂至底展開，從而形成不同的層級，這個過程與價值工程的功能分析類似。 以功能域到物理域的映射為例，設(shè)計者首先應(yīng)明確產(chǎn)品的總功能或總要求，第 44 頁 然后從總功能出發(fā)，確定出產(chǎn)品的總設(shè)計參數(shù)要求。以此類推，不斷進(jìn)行 Zigzagging 映射，直至所有子問題全部解決為止。在確定第 i 層設(shè)計參數(shù) DPs 之前，無法直接通過第 i 層功能需求確定第（ i+1）層功能需求。 功能域與物理域之間的 Zigzagging 映射示意如圖 所示。若 DP1第 45 頁 選擇“折疊式自行車”，則可進(jìn)一步確定下一層的 FRs： FR11=質(zhì)量小， FR12=座椅位置調(diào)整， FR13=攜帶物品， FR14=可折疊拆卸等。 進(jìn)行 Zigzagging 映射的目的，在于更加有效合理地建立相鄰兩域之間的關(guān)系，從而根據(jù)設(shè)計公理對其進(jìn)行判定和改進(jìn)。 3）獨(dú)立性公理 獨(dú)立性公理是公理化設(shè)計理論體系中最重要的基本設(shè)計公理。這就要求設(shè)計者選擇的設(shè)計參數(shù)不但要滿足功能要求，還要盡可能使各個功能要求互相獨(dú)立。 獨(dú)立性公理的數(shù)學(xué)描述 公理化設(shè)計理論體系中的設(shè)計工作是以四個域作為載體的，相鄰兩域之間的映射過程可以用數(shù)學(xué)方程來描述。以功能域和物理域為例，功能域包含所有設(shè)計需求的第 46 頁 集合，構(gòu)成功能域中的 FR 向量，物理域包含所有設(shè)計參數(shù)的集合，構(gòu)成物理域中的 DP 向量。 []hyA? 即為設(shè)計矩陣。設(shè)計矩陣 A 可表示為 1 1 1 2 12 1 2 2 21......[].. . .. . .. . .. ....yyh h yA A AA A AAA A A????????? () 式中 iij jFRA DP??? () 則 1{}hFR? 中各元素可表示為 1 1 , 2 , . . . ,yi i j jjF R A D P i h???? () 式 ()可 以表示為微分形式 { } [ ]{ }dFR A dD P? () 舉例說明，假設(shè)在功能域中有三個功能要求 FR FR FR3，物理域中有三個設(shè)計參數(shù) DP DP DP3，它們之間的設(shè)計矩陣為表 所示 表 設(shè)計矩陣舉例 第 47 頁 DP1 DP2 DP3 FR1 A11 A22 0 FR2 A21 0 0 FR3 A31 A32 A33 矩陣中的元素代表 DP 是否對 FR 有影響， 0 代表無影響，非零值 Aij代表有影響。 映射關(guān)系不同反映了設(shè)計的優(yōu)劣，表現(xiàn)為設(shè)計矩陣的不同形式。 （ 1） h=y 以 h=y=3 為例，如若設(shè)計矩陣為對角陣，如圖 所示，那么所有的功能要求可以通過設(shè)計參數(shù)達(dá)到滿足，并且彼此之間互不影響，滿足獨(dú)立性公理，這樣的設(shè)計稱之為非耦合設(shè)計。 第 48 頁 圖 設(shè)計矩陣為三角陣 如若設(shè)計矩陣為一般陣，如圖 所示，這樣的設(shè)計稱之為耦合設(shè)計，它不滿足獨(dú)立性公理，它無法保證產(chǎn)品能夠滿足預(yù)定的要求，也就不是理想的設(shè)計。那么會有兩種情況可能出現(xiàn)：或者功能要求無法滿足，或者設(shè)計成為一個耦合設(shè)計。若 A31和 A32均不為 0，那么設(shè)計是一個耦合設(shè)計。那么也會有兩種情況可能出現(xiàn)：冗余設(shè)計或者耦合設(shè)計。若人為確定 DP DP DP5，將 DP1 和 DP3 作為設(shè)計的變化量，則新的設(shè)計方程為 1 1 1 3 12 1 2 3 31 []2 aaF R A A D PF R A A D P? ? ? ??? ? ? ?? ? ? ? () 式 ()中， FR1a 和 FR2a 分別表示 DP DP DP5確定后的新的功能要求，可以看 出，設(shè)計矩陣為一般陣，是一個耦合設(shè)計。 若人為確定 DP1 和 DP3，將 DP DP DP5 作為設(shè)計的變化量，則新的方程為 第 50 頁 414222 2551 0 020ccDPFR ADPFR A ADP??? ? ? ? ???? ? ? ???? ? ? ? ???? () 式 ()中， FR1c 和 FR2c 分別表示 DP1和 DP3確定后新的功能要求，可看出，功能要求 FRs 的數(shù)量仍然小于設(shè)計參數(shù) DPs 的數(shù)量，是一個非耦合的冗余設(shè)計。獨(dú)立性公理并不是要求每個設(shè)計參數(shù)只滿足一個功能要求，而是要力求達(dá)到一個設(shè)計參數(shù)能夠相互獨(dú)立地滿足所有的功能要求，這是最佳設(shè)計的體現(xiàn)。在準(zhǔn)耦合設(shè)計中，要以功能要求和設(shè)計參數(shù)之間的映射關(guān)系 為基礎(chǔ)，以一定的程序確定設(shè)計參數(shù)，對于相對獨(dú)立的，和其他功能要求之間互不影響或影響弱的，可以根據(jù)經(jīng)驗先確定，然后確定那些只對本身功能有影響的設(shè)計參數(shù)和對其他多種功能要求有影響的設(shè)計參數(shù)。 獨(dú)立性公理的幾個推論 獨(dú)立性公理是設(shè)計的基本理論。本文總結(jié)得到幾個推論如下，是對 節(jié)相關(guān)內(nèi)容的總結(jié)陳述，作為模塊化設(shè)計的理論基礎(chǔ)。 2） 設(shè)計解耦：如果設(shè)計方案中功能要求互相耦合，互相干擾。 3） 理想設(shè)計：當(dāng)設(shè)計參數(shù) DPs 的數(shù)目小于功能要求 FRs 的數(shù)目時，表現(xiàn)出的設(shè)計形式有兩種情況：耦合設(shè)計，或功能要求不能完全滿足。以上者兩種情況都不是理想的設(shè)計狀態(tài)。 4） 設(shè)計解耦中的方案更新：設(shè)計解耦意味著功能要求的改變，當(dāng)功能要求改變后，必須更新原來的設(shè)計方案，以滿足新的設(shè)計要求。按照獨(dú)立性公理，理想設(shè)計應(yīng)是功能要求之間耦合性弱的設(shè)計，設(shè)計矩陣對應(yīng)以下兩種結(jié)構(gòu)形式： 第 52 頁 （ 1）對角陣 此時，各個功能要求 FRs 之間是完全獨(dú)立的，不存在相互影響的耦合關(guān)系。此時，各個功能要求 FRs 之間存在相互影響的耦合關(guān)系。 分別針對以上兩種設(shè)計矩陣的形式，討論產(chǎn)品模塊的組成方式和數(shù)學(xué)模型。所以，每個設(shè)計參數(shù)對應(yīng)著產(chǎn)品第 i 層上的一個模塊，令第i 層上的模塊為 Mi(i=1,2,… ,n)，則： 111122223333111......1nnnnFRAMFRAMMFRAMFRA???????? ???? ???? ???? ????? ???? ???? ???????????? () 2）設(shè)計矩陣為三角陣時，設(shè)計方程如下： 1 11 12 21 22 23 31 32 33 3120 0 ... 00 ... 0... 0... ... ... ... ... 0 ...0 ...n n n nn nFR A D P