《试验火箭设计与综合实践》详细介绍了以试验火箭为对象的综合实践背景、内容与方法。*先介绍国内外高校和研究机构火箭类实践教学项目进展情况；接着以两型试验火箭为例，描述典型飞行任务与火箭总体方案分析方法；然后介绍制导控制系统设计与测试、结构设计与测试的内容与案例；*后描述靶场试验流程，并结合具体的火箭飞行任务，开展了试验数据分析与评估。

目录
第1章 绪论 1
1.1 试验火箭综合实践背景1
1.2 火箭实践教学国内外现状 3
1.2.1 美国的火箭实践教学 3
1.2.2 欧洲的火箭实践教学 31
1.2.3 其他国家的火箭实践教学 43
1.2.4 国内的火箭实践教学 45
1.3 本书的内容安排 46
思考题 46
参考文献 46
第2章 飞行任务分析与总体方案设计 50
2.1 概述 50
2.2 试验火箭飞行任务分析 50
2.2.1 飞行任务 50
2.2.2 使用要求 54
2.2.3 技术指标要求 55
2.3 试验火箭方案选择与总体参数分析 56
2.3.1 总体设计要求 56
2.3.2 气动布局与外形设计 57
2.3.3 动力系统总体方案设计 93
2.3.4 总体参数分析 117
2.3.5 回收伞方案分析 131
思考题 138
参考文献 138
第3章 制导控制系统设计与测试 139
3.1 概述 139
3.2 试验火箭控制律设计139
3.2.1 试验火箭控制律设计流程 140
3.2.2 试验火箭传递函数计算方法 141
3.2.3 试验火箭控制律设计方法 148
3.2.4 试验火箭控制律设计案例 151
3.3 试验火箭制导律设计 161
3.3.1 方案弹道跟踪制导律设计 161
3.3.2 弹道末端制导律设计 166
3.4 试验火箭遥测系统测试 172
3.4.1 遥测系统简介 172
3.4.2 遥测系统配置方法 173
3.4.3 遥测性能测试 175
3.5 时序控制功能测试 181
3.5.1 试验火箭测试发射流程 181
3.5.2 零时功能测试 183
3.5.3 时序功能测试 184
3.6 试验火箭飞控系统测试 188
3.6.1 导航系统测试 190
3.6.2 执行机构测试 200
3.7 试验火箭半实物仿真验证 212
3.7.1 半实物仿真方案设计 213
3.7.2 半实物仿真实验操作 217
3.7.3 半实物仿真结果分析 223
思考题 227
参考文献 227
第4章 结构设计与测试 228
4.1 概述 228
4.2 试验火箭结构设计与分析 229
4.2.1 试验火箭结构设计流程 229
4.2.2 结构设计要求 229
4.2.3 箭体结构方案选择 231
4.2.4 结构材料选择 242
4.2.5 载荷分析与强度计算 251
4.3 试验火箭总装与测试 261
4.3.1 结构外形测量 262
4.3.2 质量特性测量 266
4.3.3 模态测试 273
4.3.4 合练箭结构总装与模拟发射实例分析 279
思考题 285
参考文献 286
第5章 靶场飞行试验与数据处理 287
5.1 概述.287
5.2 地面设备 287
5.2.1 测发控系统 287
5.2.2 地面保障系统 298
5.2.3 合练箭产品 300
5.2.4 发射装置 300
5.3 飞行安控方案与火箭使用流程 303
5.3.1 安控方案 303
5.3.2 全流程实施过程 304
5.4 飞行数据处理分析 309
5.4.1 飞行试验任务概况 309
5.4.2 遥测数据接收处理 310
5.4.3 无人机探测与定位性能评估 313
5.4.4 弹道在线规划性能评估 325
5.4.5 参数在线辨识评估 334
5.4.6 目标打击性能评估 353
思考题 360
参考文献 360

第1章绪论
　　1.1试验火箭综合实践背景
　　实践教学是高校人才培养尤其是高等工程教育过程中重要的环节，也是提高人才培养质量的切入点和突破口。我国著名桥梁专家茅以升曾提出“习而学”工程教育思想，倡导工科教学要理论联系实践，做到“先习后学，边习边学”。
　　综合实践在新一轮本科人才培养方案课程体系中占据重要地位。近几年，面向航空航天工程、导弹工程、飞行器设计与工程等空天类本科专业，遵循学生从低年级到高年级的成长规律，按照逐层递进的培养思路，构建了由入门级、基础级、系统级、创新级、应用级组成的“五级进阶”实践项目体系，如图1.1所示。
　　以面向航空航天工程、导弹工程等专业构建的“五级进阶”实践项目为例，各层级实践教学项目特点如下。
　　(1)入门级：面向低年级航空航天概论课程课内实践，设置高压水火箭实践项目群，演示基础的火箭推进原理和飞行原理，开展常态化、开放式地面试验与飞行试验，充分激发低年级本科学生的专业热爱和航天精神。
　　(2)基础级：面向空气动力学基础、空天飞行力学等学科基础课程课内实验，开展试验火箭模型空气动力学原理实验、弹道设计仿真实验，夯实空天学科专业基础。
　　(3)系统级：面向飞行器总体设计、测试发射等专业课程，开设试验火箭方案设计与主要分系统设计、测试项目，以及全系统联调测试与综合演练，培养飞行器设计集成能力和总体意识。
　　(4)创新级：围绕大学生创新训练项目和学科竞赛等课外实践，自主研发固体模型火箭，开展创新技术验证，参加高水平学科竞赛，提升创新实践能力。
　　(5)应用级：面向飞行器总体综合实践等课程和毕业前综合演练等实践环节，着眼专业素养综合考核，定制试验火箭飞行任务，在学校完成全流程演练后，赴靶场完成试验火箭飞行试验并获取测量数据，淬炼全流程实战应用能力。
　　在“五级进阶”实践项目体系中，针对不同年级学生，以火箭为实践教学对象或以火箭飞行任务为牵引，设置挑战度不断增加的实践内容，进阶式培养学生的理解认知、学科分析、设计集成、创新实践和实战应用等多层级能力。根据不同年级学生特点，依托学科基础课程和专业课程，合理设置实践复杂程度。实践项目中，火箭是一种自身携带燃料和氧化剂及推进装置的飞行器，既可用作载荷投送的运输工具，也可用作技术验证的飞行平台。火箭通常涉及推进、结构、空气动力学、控制与电气等多个专业方向，具有专业覆盖面广、实践综合性强等特点，是空天专业领域理想的实践教学对象。
　　本书中试验火箭是指功能组成完整、具备一定载荷投送能力的高阶实用型单级火箭，主要包括固体发动机、箭体结构、控制系统、电气系统、遥测系统、回收系统以及任务载荷等组成部分。一方面，学生可根据试验火箭技术指标要求，开展火箭总体和分系统方案设计、建造和测试；另一方面，学生可以试验火箭为平台，开展任务牵引的创新方法与技术飞行验证。试验火箭主要面向高年级学生开展系统级和应用级综合实践，同时兼顾牵引低年级学生开展基础级的分系统实践。试验火箭相关实践任务可分为学校实践任务和IE场实践任务两部分，如图1.2所示。其中，学校实践任务包括完成试验火箭任务设计、试验火箭方案选择与参数设计、试验火箭控制系统设计与测试、试验火箭结构设计与测试以及数据处理与试验评估等内容，靶场实践任务包括完成试验火箭总装测试、试验火箭发射等内容。
　　1.2火箭实践教学国内外现状
　　以火箭为对象的实践因其系统性强、综合训练程度高，在国内外教育项目和实践课程中应用广泛。本节介绍国内外典型的火箭实践教学项目和教学模式。
　　1.2.1美国的火箭实践教学
　　1.美国国家航空航天局STEM计划
　　“STEM教育”一词是指科学、技术、工程和数学领域的教和学，它通常包括在正式（如教室）和非正式（如课后课程）的环境中，从学前教育到研究生所有年级的教育活动。自第二次世界大战以来，美国从经济和军事进步中受益，这在一定程度上得益于高技能的STEM劳动力。美国STEM劳动力的主要国内来源是教育系统。美国学者调查显示，在过去十几年中，美国学生在数学方面的综合实力几乎没有增长，在国际科学和数学评估中仍处于发达经济体的中间位置。一种观点认为，美国STEM教育的弱点已经或将很快导致国家科学与工程劳动力短缺，而这一劳动力供应问题将削弱美国的全球竞争力，并威胁到国家安全。
　　鉴于国家对熟练的STEM劳动力的需求，美国国家航空航天局（NASA)在吸引和培养未来的STEM专业人才方面有重大利益。因此，NASA战略规划2022中[2]，其战略目标4.3就提到，面向培养航空航天领域下一代探险家，将让学生参与建立多元化的未来STEM劳动力。NASA将实施扩大学生参与的战略，致力于培养一支多元化、技能娴熟的未来STEM劳动力一下一代探险家，他们将担负在航空航天领域的重要使命，并具备助力相关工作走向未来所需的技术技能。
　　通过STEM计划、项目和活动，为学生服务，并为教育工作者和教育机构提供*特的支持。
　　NASA实施了太空资助计划，形成了由大学和学院组成的全国性网络，拥有1000多个附属机构和组织，致力于扩大高校学生参与NASA及其航天项目的机会’为本科生和研究生提供重要的学习体验，同时也能为初中生和高中生提供体验式机会。通过下一代STEM计划，NASA对K-12(学前班？12年级）和非正规教育也进行了重要投资，加大力度吸引K-12学生，在正规教育生态系统内建立网络，吸引教育工作者、培训STEM专家，并扩大挑战赛和竞赛的规模以鼓励学生参与。
　　2.探空火箭教育项目
　　在火箭领域，NASA经过数十年的发展，已经建立了完善的探空火箭型谱，以及配套的研究中心、飞行试验场地与设施等。NASA的探空火箭除了开展科学研究和新技术验证外，也为教育和培训提供了宝贵的平台。NASA认识到，在20世纪参加过阿波罗登月、航天飞机等重大航天计划的大批人员陆续退休，导致其研究实力受到损失。为保持一支世界一流的航天科学家和工程师队伍，巩固航天强国地位，美国将目光投向院校，在从中学生到研究生的学生教育过程中开展了大量以能力培养为导向的实践项目，培养了学生从事航天技术研究的兴趣，提升了创新实践能力，完善了航天人才培养体系。
　　NASA的探空火箭教育任务包括三个阶段的项目[3]。
　　**阶段是“RockOn!”项目，开展初级的学生探空火箭实验。RockOn!项目自2008年起每年在NASA沃洛普斯试验基地开展，每年约80个大学生和教育工作者用一个星期的时间完成亚轨道火箭集成和飞行。RockOn!项目旨在向大学教师和学生传授火箭有效载荷构建和集成的基础知识，在火箭飞行任务过程中捕捉和记录三轴加速度、湿度、压力、温度、辐射数据和旋转速率，如图1.3所示。例如，2012年度任务包括14个标准化的试验，试验基地提供工具箱，由微处理器、各种传感器、安装硬件和编程软件等组成，试验场工作人员和学生将有效载荷运到沃洛普斯岛与火箭发动机装配、测试。两级小猎犬-改进猎户座探空火箭将有效载荷送到117km高度，获得测量数据后交给学生进行飞行后检查和数据分析。
　　第二阶段是RockSat-C项目，该项目和RockOn!项目共享有效载荷空间，但更先进。RockSat-C项目为学生提供了一个机会，让他们能够体验更加复杂的设计和建造，如图1.4所示，其目的是为学生和指导教师提供实践经验，使他们能够更好地支持美国未来的技术劳动力需求，并帮助这些学生和教师成为NASA未来科学任务的主要研究人员。其中，CubesinSpace是一个面向中学生的项目，让他们有机会设计一个40mmx40mmx40mm的立方星，并开展搭载实验。
　　RockOn!项目和RockSat-C项目遵循设定的流程。*先，项目参与者建造他们的实验单元，提供各单元的材料和详细说明，并完成单元实验。接着将RockOn!项目的实验单元安装在分层的安装板上，并固定在类似于罐子的容器内，RockSat-C项目直接将实验单元放在容器内，所有容器与有效载荷进行结构集成。然后，有效载荷进行飞行前测试，包括惯量矩测量（图1.5)、振动试验和平衡测试等。*后采用两级小猎犬-改进猎户座探空火箭从沃洛普斯岛发射。
　　第三阶段是*先进的RockSat-X项目，该项目提供了探测火箭有效载荷支持系统，例如电源、遥测、消旋机构、姿态控制系统和可展开整流罩，以将实验设备完全暴露在空间环境中。学生负责完成实验设计，并参加沃洛普斯试验场的集成、测试和发布活动。学生团队可感知空间环境、部署探测器，甚至释放自由飞行的设备，如图1.6所示。例如，RockSat-X于2022年8月11日在弗吉尼亚州沃洛普斯岛成功完成了一次发射，实验载荷完全暴露在大气层上方的空间环境中。RockSat-X项目为每个实验平台提供电源、遥测装置和用于对准有效载荷的姿态控制系统（ACS)。这些便利设施使实验者能够将更多的时间花在实验设计上，而减少在电源和数据存储系统上的时间。本次飞行主要搭载了以下实验。①峡谷学院团队开发的一种自主自转装置，该装置将在电气系统发生故障时为有效载荷飞行器提供可重复使用的下降方法。通过空气动力学设计和遥测数据采集，该团队研究了如何利用辅助变桨叶片使得有效载荷在重返大气层时*大限度地提高自转速率。②夏威夷大学社区学院团队研究使用可升华樟脑为燃料的发动机提供用于姿态保持与调整所需小推力的可行性。燃料比冲将通过静态地面试验和探空火箭飞行辨识来确定，惯性测量单元、多轴加速计以及箭载摄像头记录了燃料升华过程中的飞行参数。③西北拿撒勒大学团队研究了深度元强化学习是否可应用于自适应天文机器人，并展示了适用于未来太空应用的流体软机器人的可行性。④科罗拉多西北社区学院的团队试图通过改变用于产生扭矩的联锁齿轮机构来改进传统的可部署吊臂，使用360°高清摄像头清晰地看到火箭和实验，同时成功测试了高能辐射引起的位翻转。⑤弗吉尼亚理工大学研究小组开发了一种朗缪尔探针系统，该系统能够记录和恢复火箭在电离层E层和F层之间飞行时的电流-电压*线特征。⑥肯塔基大学的团队验证从172km高度成功弹射太空舱，并在整个飞行过程中收集和传输太空舱数据，这种发射太空舱的方法计划用于未来的国际空间站任务。