探空火箭气动外形设计优化模型与方法论文.doc

摘 要探空火箭是空间科学研究的重要手段，随着我国对空间环境探测需求日益迫切，亟需开展探空火箭系统型谱规划工作。本文对国内探空火箭需求进行综合分析。探空火箭的系列化、模块化设计是进行体系构建的必由之路，确定以发动机作为功能模块进行模块化设计。采用基于独立性公理的系统模块化组成方法，指导发动机方案选择。建立探空火箭的弹道、气动计算模型。采用序列近似优化方法，对单级探空火箭探测-1进行气动/发动机一体化优化，验证计算模型和优化算法的可行性和优化效果。运用解耦法对两种二级探空火箭和进行气动外形优化设计，使用无量纲加权法对三级探空火箭和四级探空火箭进行统一的气动外形优化设计，实现发动机与尾翼的模块化集成。最终得到系列化探空火箭型谱，并绘制相关弹道图和气动特性数据图表。型谱初步实现了模块化，用尽量少的发动机模块完成尽可能多的探测任务，气动外形同步实现模块化，一定程度上提高了模块化程度。型谱覆盖范围较广、模块化程度较高，体现了较好的经济效益。综上，本文在国内需求的牵引下，建立了固体探空火箭从总体规划到总体参数快速设计、优化的方法和流程，为探空火箭初期总体设计工作提供参考和借鉴。主题词： 系列化、探空火箭、型谱、模块化、公理化设计、序列近似优化方法、气动优化设计ABSTRACTThe 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, 01500km 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 rocket-I, the aerodynamic shape and engine were optimized and the feasibility was validated. For 2-stage rocket and 3-stage rocket, aerodynamic optimization was performed. Dimensionless model was acquired and processed on 3-stage rocket and 4-stage rocket for the aerodynamic design. Eventually the systematic rocket spectrum, including the trajectory graph and aerodynamic properties diagram, consists of five types with 1-stage, 2-stage, 3-stage and 4-stage, which can cover 01500km 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.第一章 绪论1.1 探空火箭概述探空火箭以火箭发动机为动力，将有效载荷送入预定高度，进行原位探测、试验。探空火箭为近代火箭技术发展过程中研制较早、用途广泛的一种实用火箭1。气象火箭可以在垂直方向上对各种大气参数进行原位测量，地球物理火箭主要用于了解多种空间物理现象，从而为空间科学研究提供基础。微重力火箭可以提供一个水平较高、时间适中的微重力环境，应用于一系列微重力实验研究2。目前用作空间科学研究的手段主要有5种：地面观测设备、高空气球、探空火箭、人造卫星、空间站。其中，气球可长距离、长时间内探测30km以下大气参数，卫星可在预定轨道（300km）进行科学探测和空间科学研究，探空火箭不但是30300km高度范围内进行原位探测的唯一手段，而且可以发射到更高的高度（300km），完成电离层、磁场、微重力实验等研究工作3。概括起来，探空火箭有以下显著优点1：（1）在30km-200km高度范围内可以进行原位测量，填补了高空气球和人造卫星探测不到的高度区域。（2）可直接测量大气参数的垂直分布，特别适于研究全国性的或地区性的高空大气模式、高空电离层模式等。（3）操作方便，发射简单。某些物理现象如日蚀、太阳耀斑爆发、流星雨、极光现象、平流层冬季增温等，一般持续时间都较短，可供观测的时间窗口很小。此时探空火箭可以迅速进入任务状态，快速发射，并可以单站或多站连续发射和观测，还可与人造卫星、高空气球和地面观测设备同步观测。（4）研制费用低，研制周期短。近年来，随着临近空间飞行器、导弹武器试验的不断增加，我国对空间环境探测需求日益迫切，亟需开展探空火箭系统规划论证工作，实现持续科学发展。 1.2 探空火箭国外发展现状与趋势1.2.1 发展现状1945年，美国发射了世界首枚探空火箭“女兵下士”。到目前为止，大部分发达国家都非常重视以探空火箭为手段的科学探测任务。已研制了60km乃至1000km以上不同高度的探空火箭系列，进行了卫星等其他探测手段所不能及的空间探测活动，为各种理论基础研究和试验任务探测需求做出了重大的贡献。（1） 发射频度据统计，美国NASA共有39个发射场，一直保持着非常大的发射量4。其中，美国主要的航天发射场如Vandenberg空军基地、Kennedy空间中心、WALLOPS飞行研究所、白沙导弹靶场都建有固定的探空火箭发射场。以白沙导弹靶场为例，在1959年1966年共发射探空火箭1530枚，1964年发射量达290枚。70年代中后期，年发射量可以达到80枚左右。近年来NASA的火箭发射数量仍居世界之首，每年要完成4060次发射任务，如2007年发射48枚，2008年已进行22次、42枚火箭发射5。欧洲方面，英国的“云雀”探空火箭系列，瑞典和德国合作的“TEXUS”微重力火箭系列等，体现了这几个国家在火箭探空方面的积极尝试。亚洲方面，日本受战败后的国际条约的制约，无法发展进攻性武器，于是许多军工企业转而发展类似于探空火箭这样的项目。以上这些国家从上世纪70年代开始就开展了大量常规气象探测活动。如日本三陆町气象火箭探测站，从1970年至2001年共发射1119枚MT-135气象火箭，平均每旬发射一枚。欧洲国家非常重视微重力科学实验，研发、制造、发射、保障等环节都有非常详尽的规划，19901996年间每年发射一枚长时间微重力火箭、4枚短时间微重力火箭6。日本的TT-500A微重力火箭计划，虽然发射的数目不多，但还是积累了一些科学研究资料7。（2） 试验用途自上世纪60年代以来，美国发射了大量探空火箭进行空间环境探测，从数量上看以气象火箭为主，比较有代表性的是Loki、Arcas等，以此获得了大量临近空间气温、气压、风场、大气成分、电子密度等探测资料8。利用这些资料，美国相关靶场统计分析了中高层大气环境参数的时空分布规律，建立了靶场参考大气模型，有效满足了阿波罗工程、航天飞机、弹道导弹、临近空间飞行器研制任务大气环境输入要求。综合利用探空火箭、常规气象探测以及卫星探测资料，美国在历史上先后推出美国标准大气1976年版、卡纳维纳尔角靶场参考大气（070km）、马歇尔航天中心全球参考大气模型1999年版、航天器开发使用地球环境（气候）标准指南2008年版等4。同时，美国利用战斧等飞行器，开展了丰富的高层大气结构和动态特性研究。从表1.1可以看出，自上世纪60年代，美国就开始了电离层、磁场、微重力等多种类的空间探测试验，探测区域以300km以下为主，也有部分1000km以上探测高度的探测活动。表1.1 NASA60年代探空火箭部分实验情况统计时间次数探测高度km探测项目试验结果1960.3.13224天体项目研究失败1960.4.275.252222天体项目研究失败1960.11.232728591电离层成功1961.4.19213165180高空大气成分成功1959.11.181962.6.71030256天体项目研究部分成功1959.9.14204218256电离层成功1960.3.161961.12.225322415电离层成功1960.11.91980电离层成功1960.12.1211160磁场成功1961.4.276.132759867电离层部分成功1961.8.121963.10.107152207微重力部分成功1961.7.148.165165207磁场成功1962.6.291963.7.20580211气辉部分成功1963.4.37.102212236电离层成功1963.6.20282192203日冕观测仪成功1963.2.1211610电子分光成功1963.2.101964.7.157188207大气成分成功1963.7.208.108155201电子密度成功1964.3.224.221190180极光成功1964.6.1010.76140150地磁成功1964.11.51865气辉成功1964.8.1011015离子光谱成功1964.8.128.173119122大气采样成功1964.8.2910.262177200X射线成功1964.10.2311065射电天文学成功1965.3.15.30107688电离层成功近20年来，美国探空火箭用于地球空间科学探测研究的有百余枚，用于天体物理学的有27枚，用于太阳风研究的有24枚。此外，也发射过各种特殊用途的探空火箭，如为核试验结果验证而发射的取样火箭等。德国的空间环境探测任务主要由德国宇航中心（DLR）开展，在临近空间环境探测方面以中间层和电离层探测为主。瑞典的空间探测首先立足于它处于极光区的特殊地理位置，研究范围主要是电离层、高空磁场、极光、高空大气成分等。目前，欧空局（ESA）各国利用探空火箭，在微重力研究方面开展了较多工作，针对不同微重力科学领域研制了许多成熟的微重力试验单元模块，有近68个，各学科领域的模块数量见表1.2910。统计可见流体科学试验模块数量占据了大部分，将单元模块质量小于50kg的视为小型单元，50kg90kg视为中型单元，90kg以上的视为大型单元，对历年来微重力试验单元的质量分布进行不完全统计，结果见表1.3。表1.2 欧洲微重力试验标准试验单元模块数量型号材料科学流体科学生命科学燃烧科学基础物理MiniTEXUS02020TESUX112020MASER216801MAXUS511600小计8411441比例11.67%60.29%20.59%5.88%1.47%表1.3 欧洲微重力试验各类试验单元重量分布质量材料科学流体科学生命科学燃烧科学基础物理小计比例50kg11111002324.47%5090kg52525115760.64%90kg155301414.89亚洲来看，日本探空火箭事业起步早，成果多。其一直注重和西方国家的合作，不仅在常规探测项目上成绩喜人，更在包括赤道区高层大气等特色项目上进行了佷多的研究。美国是空间探测大国，其使用的型号种类居世界首位，主要使用的探空火箭有Arcas系列（52km100km）、Loki系列（50km100km）和黑雁系列（701500km）。其中，Loki系列作为Arcas系列的替代产品，是在无控弹的基础上改进研制的，采用两级方案，实现了高可靠、低成本（约为Arcas火箭的一半）的设计目标。得到广泛应用，是美国发射数量最多的探空火箭，共完成355次发射，成功率高达99.64%。后续的黑雁系列探空火箭采用多级推进、模块化设计方案，火箭一二三四级可供选用，更加灵活、可靠，是目前使用最为广泛的探空火箭。（4）特点从国外探空火箭发展现状来看，主要有以下特点：发射频度高。截至目前，以美国、日本为首的发达国家已完成千余次探空火箭发射试验，现在每年仍有50次左右的发射量，高频度的发射积累了大量基础数据，为建立标准大气模型等基础性工作奠定了坚实基础。试验用途广。国外发达国家利用探空火箭，在充分获取临近空间气象数据基础上，不断提升火箭运载能力，持续开展电离层、高空磁场、极光、高空大气成分等空间科学探测，而在微重力科学研究和空间科学实验等传统项目上仍旧保持着极大的探测热度。系列化程度高。国外探空火箭系列化程度高，组合化、模块化使用，如黑雁系列中，黑雁-5是基本型，在此型基础上增加不同助推器或小型上面级，即可构成其它型号，有效保证了火箭低成本、系列化发展。进而提高火箭发射频率。图1.1 美国主要使用的探空火箭1.2.2 发展趋势综合分析国外技术发展历史和现状，探空火箭发展趋势体现在产品系列化、设计标准化、用途多元化三个方面。产品系列化。不同试验对于探空火箭的需求不尽相同，必须在研制过程中，强化“三化”意识，即“通用化、系列化、模块化”，使之在基本型某础上形成功能模块较为多样、使用范围较广的系列化产品，完善探空火箭型谱，以满足不同高度、不同载荷以及不同试验的需求。设计标准化。探测任务的多样化、火箭的复杂性和火箭的研发成本永远是一对矛盾，只有采用标准化的设计思想，才能为顶层规划提供方便，致力于研发可供各类探测任务所用的基础型箭载设备，有利于为各种有效载荷提供合适的平台。用途多元化。前期，探空火箭还是以气象探测为主，后续，在产品系列化、设计标准化基础上，降低火箭成本，在开展必耍的临近空间气象数据探测基础上，不断发展能够进行深空探测、微重力实验和空间新技术验证等方面研究工作的系列火箭。1.3 国内探空火箭发展现状探空火箭项目是中国空间技术的起步项目之一，火箭的研制始于1958年。（1） 发射频度至20世纪末，累计己在酒泉、马兰、昆明、海南等地发射了近260枚各类探空火箭，半数以上为气象火箭，这些火箭都是靠尾翼稳定飞行的无控火箭11。其中，60年代共发射约92枚，70年代共发射约136枚，80年代共发射约27枚，90年代共发射约4枚12。1963年至1988年，发射了80多枚探空火箭，积累了不同季节、不同经纬度上的高空大气温度、气压、密度、风向、风速等探测资料。利用这些实测数据，我国科技工作者分析研究我国与国际CIRA-86参考大气中国区的差异，编制了中国参考大气(地面80km)2006年版。进入新世纪以来，结合“子午工程”和一些重大专项任务，火箭探空活动日益增多13。（2） 试验用途气象火箭是最简单最常用的火箭类型，因而我国研究的也较早，包括探空七号、探空七号甲(T-7A)、织女一号。其中，织女一号火箭运用了包括推力程序优化在内的多项关键技术，达到了良好的探测效果。另外一些火箭作为取样火箭。伴随核试验一同研发，用以采集核爆炸后的放射性微粒，例如挺近二号火箭。还有一些火箭搭载生物体进行空间生物实验，例如和平八号火箭1。（3） 型号系列国防科技大学、航天科技集团四院等单位，先后研制了和平、探空、挺进、织女、天鹰等型号的探空火箭，技术指标比较见表1.4。表1.4 国内主要探空火箭技术参数统计表代号级数起飞质量（kg）总长度（m）最大直径（mm）飞行顶点高度（km）有效载荷（kg）试验用途HP-223316.652557240临近空间气象探测HP-322255.220525取样火箭HP-512304.225523取样火箭HP-6160.82.52161.5803临近空间气象探测HP-812404.2255减速伞在高马赫数和高速压情况下性能试验T-721160104506025临近空间气象探测T-7A2126010.3246011540临近空间气象探测T-7A（S1）2116646076生物高空飞行试验T-7A(Y1)21280460100电离层参数测量T-7A(Y5)31345460261固体发动机点火系统高空性能试验TK-11652.785150753临近空间气象探测TK-51654122753临近空间气象探测TJ-1A28006.1946050核试验取样TJ-213834.1136017核试验取样ZN-11.561.52.7150683临近空间气象探测ZN-322854.8725014825高层大气探测TY-3110496.145622550微重力实验TY-3C111056.7645620150子午工程科学探测TY-3E120060空间环境垂直探测TY-3G211009.11456350电离层物理实验TY-411503.38204802临近空间气象探测TY-4A11503.38203802.3临近空间气象探测TY-4B1137137204801001.2临近空间气象探测TY-62541413.62750556微重力实验从上表可以看出，国内各系列探空火箭可发射370kg载荷，飞行高度大多在30260km范围。相比国外探空火箭，运载能力、飞行高度还相对较低，应用范围还是以气象探测为主，用途相对单一，电离层、磁场等空间探测活动及微重力试验进行的较少。图1.2 国内几种典型的探空火箭根据上述分析，我国探空火箭起步晚，需求牵引少。由于缺乏需求牵引和受国家财力限制等原因，我国探空火箭技术水平、种类和探测次数远远低于国外发达国家。归纳来说，主要存在以下差距：顶层规划有待完善。针对相关科研试验需求，国内先后研制了和平、探空、挺进、织女、天鹰等型号的探空火箭，但通用性不强，能力与需求还有较大差距，缺少统一的顶层规划。因此，亟需结合试验与基础技术研究需求，制定统一的探空火箭发展规划、完善发展型谱，整合资源，有步骤、有重点的发展不同能力、满足不同需求的探空火箭。火箭成本有待降低。在火箭设计中，还未能将系列化、通用化、标准化的理念贯彻始终，因此造成费用较高、保障难度较大，难以作为试验消耗品使用。发射频率有待增加。国内已发射探空火箭近300次，但相比国外发达国家千余次的发射数量，差距很大。没有一定的发射数量，难以完成基础数据的积累，严重制约了国内标准大气模型建立，一定程度上影响了国内航天事业的发展。1.4 探空火箭型谱及规划方法探空火箭主要由有效载荷和运载火箭所组成。现代科学探测的多样化和多需求对探空火箭系统提出了更高的要求。首先，要求探空火箭型号齐全，能够满足不同高度，不同类型的探测需求；其次，时间、技术、成本的压力又迫使研发单位尽可能地在满足要求的情况下，降低探空火箭系统的复杂程度，以期降低开发、生产、使用维护的费用，使探空火箭系统更加柔性化，这样才能将探空火箭的各种优势和特点更为显著地体现。因而，探空火箭研制部门不可能也无必要针对每一种有效载荷的要求设计一种新的运载火箭，而是综合考虑各种有效载荷的特殊需要和常规需要后，研制几种火箭发动机；或利用已研制成功的火箭发动机，采用“一机(发动机)多用”原则，将它们以积木方式组合成探空运载火箭的系列，并编制成型谱，提供使用部门选用，这应该成为探空火箭研制的发展方向。1.4.1 国外典型探空火箭型谱美国NASA经过长时间的发展，积累了大量的探空火箭研制技术和发射经验。随着研制工作的不断开展，并配合美国科学实验和技术验证的需求，NASA形成了以“黑雁”系列探空火箭为主体的系列化探空火箭型谱，如图1.3所示，十枚探空火箭从一级的“猎户座改”到四级的“黑雁12”，构成了其探空火箭项目的型谱。采用多级推进、模块化设计方案，同时使配套的有效载荷同步实现标准化模块化，火箭一二三四级可供选用，更加灵活、可靠。图1.3 NASA探空火箭型谱又如英国主导研制的“云雀”系列探空火箭，早期的云雀火箭是单级的，使用Raven固体发动机，性能可靠。后来逐步在英国科学研究委员会的领导下，提出了英国国家空间计划，要求将更重的有效载荷送入更高的高度。因而，需要研制更强大的发动机组，“云雀”采取的措施是增加助推器，有效提高了运载能力，在TEXUS微重力计划中发挥了重要的作用。现在“云雀”系列主要的型号是“云雀5”、“云雀7”、“云雀12”，已经由很多用户在不同国家的领土上发射过。1.4.2 模块化设计方法如1.2节所述，国外先进探空火箭系统都很重视型谱的模块化程度，合理设计几种较优的发动机模块，通过不同的组合方式达到不同的发射性能和探测高度，构成了从单级到多级的系列化探空火箭型谱，覆盖的探测任务较广泛。由此可见，模块化的设计方法是满足产品需求多样化、个性化的有效手段，在一定程度上解决了多样化需求和有限的成本投入之间的矛盾。现代模块化理论的研究主要分为三个系统：（1） 青木派作为经济学家，青木昌彦注重考查经济学、微观经济学领域的模块化行为和趋势。并从多方面总结了模块化与经济制度发展变革的关系及其内在运动机理。他以硅谷为研究对象，提出了“硅谷现象”，公认其人为研究现代化模块化理论的权威之一。（2） 哈佛学派1997年哈佛大学商学院的两位学者卡丽斯·鲍德温和金·克拉克发表了论文Managing in an age of modularity，引起了业内的极大反响。这篇论文以IBM360电脑的模块化设计为例，阐述了模块化方法的基本原理，并大胆做出预测，模块化的设计思想必将进一步推广到各个领域，这种预测已被业界的发展所证实。2000年，他们出版了设计规则：模块化的力量一书，业内公认此书为一部具有里程碑意义的模块化理论著作，在他们二人的努力下，业界逐渐形成了“哈佛学派”。（3） 日本学派模块化理论在日本的发展一直很先进，日本学者长期以来关注模块化理论在汽车工业中的发展与应用。经济产业研究所的池田、庆应义塾大学的国领等学者分析了日本汽车工业的优势和竞争力，它们认为日本汽车工业中的核心企业如丰田和其他一些零部件供应商一同创建了十分高效的模块化设计沟通机制，丰田公司提供基础工业界面和设计标准，其他供应商可并行开展多种设计工作，丰田公司保留最终决策权。日本学者们认为这是日本汽车工业相比欧洲的核心竞争力。1997年，在通产省的支持下，成立了信息化研究会及企业研究会，继续模块化理论的研究与模块信息一体化发展的可能实现途径。它们被称为“日本学派”。1.4.3 公理化设计及其研究现状在具体设计工作中，光有理论性的模块化思想还不够。系列化探空火箭型谱总体设计这样的复杂任务，总体设计参数多，任务种类多，各个设计参数之间耦合较密切。设计者在进行设计工作时往往手足无措，出现设计目标模糊，设计过程混乱的问题。面对这种情况，公理化设计理论体系能够发挥其作用，起到理清设计思路，明确设计过程和设计目标的作用，为系统模块化设计思想与具体的设计工作搭建起一座桥梁。人类在长期的生产生活中，需要进行各种各样的设计工作，而设计就是从需求到产品的整个过程，在不断地实践过程中，人类积累了大量的方法、技能、工艺等设计和制造的途径，它们统称为“经验”，“经验”在一定程度上反映了人类对客观事物的把握。1977年，MIT机械工程系教授Nam P .Suh，在当时系主任的支持下，成立了“制造和生产实验室”，该实验室的基本任务是建立设计和制造的基本原则，使得在产品设计阶段产品的结构和参数最大可能的满足用户需求23。Suh教授及其同事在麻省理工学院和其它企业中积累了大量的工程经验，他们以此为基础，分离出一些取得成功的通用要素，并将这些要素进行归纳，总结了12条基本公理。后经过Suh教授团队的不懈努力和大力推广，形成了产品设计阶段最重要的“独立性公理”，并于1990年出版专著The Principles of Design24，标志着这种新的设计方法和理念公理化设计的概念诞生了。公理化设计（Axiomatic Design）理论体系的出发点，就是将广泛多样的“经验”加以提炼总结，将人类自然的设计活动中的种种“经验”抽象化，并高度概括为一些“科学公理”，形成不断完善的设计公理体系。公理化设计将一切设计活动划分为四个域，即：用户域（Customer Domain）、功能域（Functional Domain）、物理域（Physical Domain）和过程域（Process Domain），每个域包含一定反映设计活动的元素。设计活动的过程通过四个域之间的某种映射进行和反映。截至目前，公理化设计方法在很多西方发达国家得到了广泛的推广和应用，是产品设计理论和方法学的重要生力军。国外的一些研究情况如下：Nam P. Suh建立了公理化设计的基本原理和基本框架，提出了设计的一般过程以及简单的应用实例25；D. Lindholm等人将通过公理化理论体系对设计过程中的种种决策问题进行探究，在设计分解的过程中不断推理，得到设计决策树26；Mats Nordlund等通过设想若干典型案例研究了公理化设计理论在商业上的应用实践发展蓝图27；Vigain Harutunian等在公理化设计理论的基础上，引入QFD和并行设计理论，综合得到设计的决策系统28；JasonD.Hintersteiner对公理化设计进行了软件的实现，构建系统的结构模型和控制模型29；S.C-Y.Lu等建立了包含复杂产品模块化和供应链协同设计过程模型，提出整数规划模型来描述系统的行为30；Nicola Cappetti研究了某型号电池在项目实施阶段控制点的假设，将公理化设计方法与自由时差和总时差相结合，指导设计者选择总体方案。进入21世纪，国外应用公理化理论体系的领域更广泛。2001 年，Nam P. Suh出版了专著公理化设计：进展与应用（Axiomatic Design: Advances and Application），进一步系统拓展并推广了理论体系中的内涵和外延31。2002年，J W Melvin ，N P Suh 对公理化设计理论的仿真环境进行构建，并将其应用在汽车机械主轴设计中32；P Ge，S CY. Lu，N P Suh 对基于目标瀑布的工程系统参数化设计方法进行了推导，并讨论研究了相关方法在汽车设计系统中的应用33；Jinpyung Chung，N P Suh 提出了 V-Model 的产品几何拓扑和形状设计方法34。2004年，Hrish iKesh V Deo，N P Suh 对汽车减振系统进行了研究，建立了基于公理化理论的面向客户的汽车减振设计系统原型35。国内对公理化设计的研究才刚刚起步，应用研究较少，应用范围还不广泛。主要研究的内容有：杨培林等将公理化设计理论与并行设计思想相结合，将产品的设计过程置入并行设计框架，提出了并行设计的实施方案36；张瑞红将独立性公理和信息公理与稳健设计相结合，对产品进行稳健优化设计37；陈小川等将公理化设计理论体系与多种现代设计方法相结合，进行并行协同研究38，初步构建面向成本设计的成本估算框架39；吴斌等从公理化设计入手，再给出产品定义需求的基础上，使用面向对象的方法，利用UML建立产品需求系统框架，研究其关键技术40；宋慧军等提出了某些新的集成概念，将产品结构和公理化理论体系中的原有概念进行进一步挖掘和分析41。总体来看，公理化设计方法在国外工程设计领域有着广泛的应用，并取得了显著效果。但国内进行应用研究的还不多，应用范围还很有限。在航空航天领域更是少见相关研究。在探空火箭型谱规划中引入公理化设计方法，将是一种有意义的探索。1.5 本文研究思路和内容安排如前文所述，我国亟需建立系统的、能够完成各种探测任务的探空火箭型谱。探空火箭任务类型众多，性能需求多样化，难以对每一种有效载荷设计一种新的火箭。采用模块化设计方法，构建合理和有效的探空火箭型谱，是高效、低成本地满足各种空间探测任务需求的发展方向。探空火箭系统的众多分系统中，动力系统是关键要素之一，它为探空火箭提供动力，是运载任务的基础，会直接影响探空火箭的性能甚至探测任务的成败。同时，动力系统在探空火箭成本构成中占较大比例。故本文以发动机作为核心模块构建系列化探空火箭型谱。此外，探空火箭的气动外形设计也至关重要。一方面探空火箭作为无控火箭需要依赖气动稳定力矩保持飞行稳定，另一方面气动学科与弹道、发动机学科耦合紧密，三者共同对探空火箭的性能产生影响。故本文对系列化探空火箭型谱进行气动外形优化设计，进一步完善型谱性能。各章主要内容如下：第一章提出了本文的研究背景与意义，对国内外探空火箭及探空火箭型谱发展情况和发展趋势进行了综述。对系统模块化理论和公理化设计理论做了初步的介绍。第二章对国内探空火箭试验与研究需求进行综合分析，从探测的实际需求出发，对国内探空火箭的探测需求、探测高度、载荷质量等进行归纳、总结、分析，确立01500km的探测目标。第三章基于模块化设计原理，进行系列化探空火箭型谱规划，确定以发动机作为功能模块进行体系构建和设计，在国内需求综合分析的基础上，提出三类探空火箭：气象探测火箭、空间环境探测火箭、深空探测火箭。对独立性公理进行研究和探讨，建立其数学模型，得到公理化设计理论体系中几个基本的推论。基于独立性公理，进行系统模块化组成方法研究，推导得到系统模块化组成设计一般流程，并以此为基础，指导发动机方案选择。第四章建立探空火箭弹道、气动计算模型，将序列近似优化方法引入火箭总体方案优化设计，以单级探空火箭探测-1为对象，进行气动/发动机一体化优化，验证计算模型和优化方法的可行性和优化效果。第五章使用解耦法对两种二级探空火箭探测-2和探测-3进行气动外形优化设计，使用无量纲加权法对三级探空火箭探测-4和四级探空火箭探测-5进行统一的气动外形优化设计。最终得到完善的系列化探空火箭型谱，并绘制相关弹道图和气动特性数据图表，并对得到探空火箭型谱进行分析。第二章 探空火箭任务需求分析2.1 引言探空火箭是空间环境探测的重要手段，有其不可替代的优势。其需求主要包括试验任务和基础研究两方面。试验任务需求是为某些飞行任务提供数据支持，基础研究是为基础理论研究服务。探空火箭任务需求具有多样性，不同的任务需求为探空火箭设计提出了不同的要求。本章主要针对不同类型任务需求开展分析，并对探空火箭完成不同任务提出主要的性能指标需求。2.2 试验任务需求探空火箭可为多种不同类型飞行器的飞行试验任务提供环境探测支撑。临近空间大气环境要素是临近空间飞行器设计研制、飞行试验、考核定型等阶段不可缺少的重要输入条件。例如助推滑翔飞行器飞行任务对气动辨识关键区域3070km高度范围内密度、温度、风向和风速等大气环境要素进行测量，以保证滑翔段的气动辨识精度。高速再入飞行器依靠空气动力在大气层内进行一定范围的机动飞行，可有效提高突防能力。高速再入飞行器飞行试验与常规飞行试验相比，除常规气象保障要求外，对飞行试验落区气象保障提出了更高要求：需要测量飞行再入段弹下点30100km高度范围内的大气温度、密度、压强、风向、风速等气象要素，用于研究高速再入飞行器气动-控制的天地差异性，同时需要掌握临近空间气象和高空环境等不同因素对飞行性能的影响规律。空间飞行器飞行高度更