探空火箭气动外形设计优化模型与方法论文(编辑修改稿)

探空火箭气动外形设计优化模型与方法论文(编辑修改稿)内容摘要：

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 Design[24]，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 第 24 页 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]； 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]； 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。 2020 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]。 2020 年， J W Melvin ， N P Suh 对公理化设计理论的仿真环境进行构建，并第 25 页 将其应用在汽车机械主轴设计中 [32]； P Ge， S C– Y. 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 VModel 的产品几何拓扑和形状设计方法 [34]。 2020 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，将是一种有意第 26 页 义的探索。 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 27 页 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 0~1500km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 28 页 第二章 探空火箭任务需求分析 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。 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 30~70km 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第 29 页 30~100km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高，大气环境因素对发射任务的成败起着重要作用，高层大气、电离层、磁场等空间环境因素都会对飞行器性能产生影响。 因此，需要进行空间环境探测试验 (100km)，以保证空间飞行器试 验正常、顺利进行。 基础研究需求 大气模型建立 参考大气是表征真实地球大气温度、压强、密度和风等大气环境参数随高度、位置和季节分布及变化的大气模型，是飞行器设计、弹道模型建立、航天器轨道控制和预报等重要输入条件。 建立大气模型需研究长时间序划、大空间范围内的探测数据，寻找特定区域中高层大气环境要素日变化、月变化乃至季节变化规律，影响天气系统分布规律及季节变化特性。 参考大气模型构建需要原始观探测资料，除常规地面探测数据、卫星探测数据及数值预报分析数据外，探空火箭探测数据是大气环境参数测量的 关键数据。 国内参考大气所用的探空火箭数据较少，无法建立有效代表真实地球大气的模型，不利于飞行器和航天器的设计与应用。 第 30 页 空间科学探测 根据温度分布结构，大气分为对流层 (0~18km)、平流层 (18~50km)、中间(50~85km)、热层 (85~500km)和逃逸层（ 500km 以上）。 根据电磁特性，大气分为电离层（ 60~ 1000km）、磁层 (1000km以上 )[14] [15]。 目前，进行空间科学探测主要有地基遥感、卫星探测和探空火箭等手段。 其中，利用地面雷达进行地基遥感探测，其作用距离相对 有限，卫星搭载方式机会相对受限。 采用探空火箭方式，高度范围覆盖性广，子样数多，有原位测量的优点。 更重要的是，探空火箭研制成本较低，操作方便，发射简单。 因此，利用探空火箭，配合地基遥感探测和卫星探测数据，对空间中的电离层、磁场、高能粒子辐照、高层大气等进行探测，掌握地球大气与太阳辐射、空间大气相互作用的基本规律，可逐渐清晰、积累相关因素对飞行器的影响 [16]。 （ 1） 电离层测量 地球大气 60km以上区域全部处于完全电离或部分电离状态，故名“电离层”， 处于 60km至 l000km高度范围，温度在 180~3000K。 电离层对空间活动的影响主要包括：①对空间飞行器通信系统的影响：电波时延、信号衰落、通信质量下降、电波信号丢失和产生噪声。 ②对空间飞行器定轨系统的影响：电波信号频率发生偏移。 ③对空间飞行器轨道和姿态的影响：阻第 31 页 力增大。 ④对空间飞行器电源系统的影响：电流泄露和弧光放电。 ⑤空间飞行器充电效应：表面充电和内部充电。 因此，需要对电离层的电子密度、碰撞频率、中性成分、离子成分、电离层温度等进行探测。 （ 2） 地球磁场探测 近地磁场对空间飞行器的影响包括：①影响空间飞行器轨道和姿态。 ②影响空间飞行器上磁性仪器的测试精度。 因此，需 要对地球磁场的强度、方向等指标进行探测。 （ 3） 空间高能粒子辐照 空间高能粒子主要来自地球辐射、太阳宇宙线和银河宇宙线，其变化与太阳活动密切相关。 其对航天器的影响包括：①空间辐射效应：某些高能带电粒子会与飞行器上所使用的电子元器件和功能材料的相互作用，引发特殊的空间辐射效应，如总电离剂量效应、单粒子效应等。 ②太阳出现大耀斑时，会发出大量的高能带电粒子，即太阳宇宙线，地球周围可明显观测到。 另外再加上沉降粒子的影响，导致电离层电子密度迅速增大，将严重干扰导航、通信和相关测控活动。 ③载人航天工程中，航天员的生命更是重中 之重，而各种已知甚至未知的的粒子辐射还没有完全有效的措施预防，给航天员身体造成的损害有可能是长期的，甚至致命的。 第 32 页 因此，需要对空间中的高能粒子、射线、质子、重离子的能谱和通量进行探测，以得到粒子的空间分布和运动规律。 （ 4） 高层大气 高层大气与海平面、地面大气有很大不同。 20~50km 是平流层中的臭氧层，其主要作用是吸收短波紫外线。 在 l00~200km，大气状况受到太阳活动的强烈影响，各个参数变化很大。 在 300km 以下，大气的主要物质组成是氧原子、氮分子和氧分子。 在 600~1000km以上，大气的主要物质组成是氢 和氦 [17]。 高层大气是空间飞行器的主要飞行区域，高层大气的密度、温度、辐射状况等对空间飞行器的轨道和寿命有一定影响。 因此，需要对高层大气的成分、密度进行探测。 针对上述空间中电离层、磁场、高能粒子辐照、高层大气等因素探测研究需求，需利用探空火箭开展相关探测工作。 探测高度一般在 100~1500km，试验载荷包括大气成分探测仪 (H NO O3 等 )、流星烟尘收集器、高空大气示踪物 (Ba、Li、 Na 金属、或者 TMA、 H2O、 CO2等 )、皮拉尼计、电场仪、磁强计、朗缪儿探针、射线探测仪、粒子谱线仪、光电倍增管 、光度计等，这些载荷根据任务需要，载荷质量有所不同，进行空间原位探测的试验载荷通常在 50~100kg。 空间光学观测的项目，具有复杂的光路系统和制冷设备，试验载荷通常在 150kg 以上。 微重力研究 第 33 页 微重力科学研究的范围包括微重力材料科学和微重力流体科学，有些涉及到空间生命科学 [18]。 大气密度随海拔高度增加按指数规律迅速下降，。