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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ABSTRACTThesoundingrocketisanimportanttechniqueofspacescienceexploration.Becauseofthestrongneedforspaceenvironmentexploration,moreresearchshouldbeperformedandplanned.Inthisstudy,basedonstatisticalinvestigation,0~1500kmwassettobetheexplorationgoal.Theseriesandmodularizationofthesoundingrocketarenecessary.Powerenginewasdefinedasthefunctionmodulesandsystematicconstructionanddesignwasproposed.Threetypesandfiverocketswereintroduced.Thebasictheorywasanalyzedandtheindependenceofthetheorywasstudied.Mathematicalmodelswerebuiltandinferencesweregiven,basedonwhichsystematicandmodulardesigngeneralprocessesweredemonstrated.Thenthestructureofthespectrumenginewasinvestigatedsothatthecouplingmodelwasobtained.Thisfacilitatestheacquisitionoftheenginespecification.Finally,theestablishmentofasoundingrockettrajectory,aerodynamiccalculationmodelwasdefined.Forrocket-I,theaerodynamicshapeandenginewereoptimizedandthefeasibilitywasvalidated.For2-stagerocketand3-stagerocket,aerodynamicoptimizationwasperformed.Dimensionlessmodelwasacquiredandprocessedon3-stagerocketand4-stagerocketfortheaerodynamicdesign.Eventuallythesystematicrocketspectrum,includingthetrajectorygraphandaerodynamicpropertiesdiagram,consistsoffivetypeswith1-stage,2-stage,3-stageand4-stage,whichcancover0~1500kmheighttask.Thespectrumiscapableofwideextent,highmodularizationandlowexpense.Thispaperestablishedthemethodandprocesstoefficientlydesignandoptimizeoverallplanningandparametersinconceptiondesignforrocket,providingreferencestooverallplanninginapreliminarystage.KeyWords：series,soundingrocket,typespectrum,modular,axiomaticdesign,sequentialapproximationoptimization,aerodynamicdesigning.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30~300km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40~60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，1990~1996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（0~70km）、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1.1NASA60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1960.3.1~3224天体项目研究失败1960.4.27~5.252222天体项目研究失败1960.11.23~27285~91电离层成功1961.4.19~213165~180高空大气成分成功1959.11.18~1962.6.71030~256天体项目研究部分成功1959.9.14~204218~256电离层成功1960.3.16~1961.12.225322~415电离层成功1960.11.91980电离层成功1960.12.1211160磁场成功1961.4.27~6.132759~867电离层部分成功1961.8.12~1963.10.107152~207微重力部分成功1961.7.14~8.165165~207磁场成功1962.6.29~1963.7.20580~211气辉部分成功1963.4.3~7.102212~236电离层成功1963.6.20~282192~203日冕观测仪成功1963.2.1211610电子分光成功1963.2.10~1964.7.157188~207大气成分成功1963.7.20~8.108155~201电子密度成功1964.3.22~4.221190~180极光成功1964.6.10~10.76140~150地磁成功1964.11.51865气辉成功1964.8.1011015离子光谱成功1964.8.12~8.173119~122大气采样成功1964.8.29~10.262177~200X射线成功1964.10.2311065射电天文学成功1965.3.1~5.301076~88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（E