基于独立性公理的模块化发动机方案选择

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1、基于独立性公理的模块化发动机方案选择引言如上所述，探空火箭已经从早期的气象探测、核试验取样、生物实验等传统探测项目，发展到长时间微重力实验、极光焦耳热效应、稀薄大气电加热、离子漂移与分布函数、电子温度与密度、外逸层极尖区离子外流等各类新型地球物理探测项目和新型空间技术实验项目。自然的，对火箭的要求更高，需要探测的高度更高，跨度更大。面对日益增长的各类探测需求，也为了扩大应用范围和提高经济效益，探空火箭将进一步向固体化、系列化、低成本的方向发展。其中，系列化的目的，在于解决产品种类的有限性和使用需求的广泛性之间的矛盾，用较少的品种和规格的产品来最大限度、且较经济合理地满足需求[19]，探

2、空火箭的系列化规划至关重要，便于适应运载质量和运载高度的不同要求。实现系列化的根本技术途径是采用系统模块化方法和模块化设计。基于系统模块化原理的系列化探空火箭型谱规划，有助于提高研发效率、降低研制成本、缩短研发周期、提高火箭系统可靠性[20][21]。本章根据系统模块化原理，针对发动机进行模块化设计。采用独立性公理方法，对型谱的发动机组成进行分析，得到设计功能相互独立的准耦合设计模型，指导发动机方案选择。3.2系列化探空火箭发动机模块化需求3.2.1模块化设计模块化设计，通过多种模块构成子系统，通过子系统之间多样化的有机结合方式构成产品系统。通过模块化设计，构成型谱，从中选择构成不同的

3、产品，满足不同的需求。模块化设计有以下优点：①对产品研发的贡献。模块高度集成了已有的知识经验，代表一种优良的功能，在产品设计中使用这些成熟的模块，可以大幅降低设计风险，提高可靠性。②有利于有效控制成本和提高工作效率。成熟模块设计的重用、并行的产品开发和测试，可以大大缩短生产制造周期。③对生产组织的贡献。模块化后，设计任务很自然的分解成几个部分，这就为不同团队的分工合作提供了可能，只要团队间规范合作形式和彼此之间的信息、物质、能量接口，就可能实现更为并行化的研发。3.2.2以发动机为功能模块的模块化需求本文针对未来装备试验和技术研究对探空火箭的需求，突出模块化的设计方法，着眼于实现探空火

4、箭“体系化、系列化、通用化、标准化”建设。根据2.4节的需求分析，将探空火箭根据探测高度的不同，划分为三类。基于临近空间飞行试验、导弹试验、空间飞行器试验及大气模型建立、空间科学探测等需求，重点发展一类100km以内探测高度的高空气象探测火箭。基于大气模型建立、空间科学探测、微重力研究、空间新技术验证的需求，发展一类600km以内探测高度的空间环境探测火箭。基于空间科学探测、微重力研究、空间新技术验证的需求，发展一类1500km以内探测高度的深空探测火箭。模块总体来说分为两大类：功能模块和制造模块。功能模块以功能为落脚点，不同的原理完成不同的功能，形成不同的模块，众多模块有机结合在一起

5、，完成系统的任务。制造模块以制造工艺为落脚点，主要考虑加工制造中的工艺环节，将某些零部件根据制造加工中的工艺要求进行人工合成，人为合成符合加工要求的装配模块[22]。表3.1探空火箭型谱对发动机功能模块的需求探空火箭类型理论弹道顶点高度（km）载荷质量（kg）发动机适用范围一级二级三级四级高空气象探测火箭探测-1一级固体70~1606~30待定临近空间飞行器、空间飞行器试验和大气模型建立空间环境探测火箭探测-2二级固体160~550140~350空间飞行器试验、空间科学探测、微重力研究、空间新技术验证探测-3二级固体200~550165~450空间飞行器试验、空间科学探测、微重力研究、

6、空间新技术验证深空探测火箭探测-4三级固体550~1000100~450空间飞行器试验、空间科学探测、微重力研究、空间新技术验证1000~1500150~270探测-5四级固体空间飞行器试验、空间科学探测、微重力研究、空间新技术验证发动机为探空火箭重要分系统之一，为探空火箭提供动力，是运载任务的基础，直接决定探空火箭的性能甚至探测任务的成败。同时，发动机在探空火箭成本构成中也占较大比例。另一方面，发动机具有典型性和通用性，可以构成系列。可设计一系列发动机，通过不同发动机的组合，构成多种多级火箭。本文构建以发动机模块为核心的系列化探空火箭型谱。针对试验任务和基础研究需求，综合考虑探测高度

7、和载荷质量要求，对探空火箭型谱进行了分类，主要分为高空气象探测、空间环境探测、深空探测三类火箭。三类火箭对发动机功能模块的需求，如表3.1所示。3.3公理化设计理论及其数学模型3.3.1基本概念（1）域域是整个公理化设计体系中的基础概念，公理化设计理论体系通过域来描述设计活动。设计空间分为四个域[23]：用户域、功能域、物理域、过程域。域的相关结构如图4.1所示，相邻的两个域之间存在着相互映射的过程关系，左边的域表示“需要完成的任务或功能（WH