目录 舸言 主要符号表 第一章绪论 §1.1飞行力学研究的内容 (1) §1.1.1飞行力学学科的定义和作用… §1.1.2飞行力学的主要研究手段…………………………………(6) §1.2飞行器再人动力学和制导研究内容 …………………(7) §1.2.1飞行器再入时的特点………… (7) §1.2.2飞行器再人动力学和制导研究的内容……………(17) 第二章再入飞行器运动方程及其简化 §2.1再人飞行器矢量形式的动力学方程……………………(23) §2.2需用的坐标系和坐标系间的转换关系…………(25) §2.2.1需用的坐标系 ………(25) §2.2.2坐标系间转换关系表示法……………………(29) §2.2.3各坐标系间的转换关系……… …(36) §2.3在返回坐标系建立运动方程…………………………(48) §2.3.1在返回坐标系中的质心动力学方程………… (48) §2.3.2在飞行器坐标系建立绕质心转动动力学方程…………(56) §2.3.3在返回坐标系建立运动方程……………………………〔63) s2.4在半速度坐标系建立运动方程 (74) §24.1在半速度坐标系中的质心动力学方程 (74) §24.2在飞行器坐标系建立绕质心转动动力学方程……(81) §24.3在半速度坐标系建立运动方程…… (81
§2.5运动方程的简化… 、甲Bq甲、.上d甲·、甲 §2.5.】质心的空间运动方程……………………………………(88) §2.5.2质心的平面运动方程… (94) §2·5·3瞬时平衡状态下飞行器姿态角的确定… (97) 第三章再入飞行器运动方程的近似解 s3.1弹头再入时运动方程的近似解… (100) §3.1.1不考重力影响时运动方程的近似解………………(102) §3.1.2考虑重力作用时运动方程的近似解……………………(1) §3.2人造卫星和载人飞船再人时运动方程的近似解……………(114 §3.2.1小倾角和小升阻比再人时运动方程的简化……………114) §3.2.2升阻比L/D=0时弹道特性分析……………………(122) §3.2.3升阻比L/D等于常数时弹道特性分析………… (125) 3.3升阻比为常数时运动方程的近似解………………………(127) §3.31升阻比为常数时运动方程的近似解 ……(130) §3.32再入运动方程的一阶近似解… 萨q 133 §34升阻比为变数时运动方程的近似解………………………(139) 第四章再入飞行器的最佳弹道 §4.1平面最佳再入机动弹道的数学模型…… (】44) §4.1.1末速为最大时的数学模型… …(144) §4.1.2总吸热量为最小时的数学模型…………………………(148) §42空间最佳再入机动弹道的数学模型… ………………(152) §4,2.1落速最大的空间再人机动弹道的数学模型……………(152) s4.2.2横程最大的空间再人机动弹道的数学模型…………(163) §4.3最佳弹道的计算方法讨论… …………………(168) §4.3.]末速最大的平面再人机动弹道的计算方法……………(170) §4,32总吸热量为最小时再入机动弹道的计算方法………(176) §4.33落速最大的空间再人机动弹道的计算方法 (177) s4.34横程最大的空间再人机动弹道的计算方法…………(179) s44再人机动弹道的工程设计法 …(182) 第五章机动弹头的弹道设计和制导方法
s5.1概述 (202) §5.1.]弹头概述… (202) §5.12机动弹头的特点及组成… …………………………(209) 5.2事人机动弹头速度方向的控制 §5.2.1坐标系及其相互间的关系 ……(214) §5.2.2再入机动弹头质心运动方程…… §5.2.3导引方程…………………… ………………(219) §5.3机动弹头最优导引规律…………………………………(21) A5.3,1相对运动方程 (22}) §5.3.2俯冲平面内最优导引控制规律… (223) §5.3.3转弯平面内最优导引控制规律………………………(229) §5.4机动弹头速度方向控制的仿真计算及分析…… §5.4.1速度方向控制三自由度仿真的数学模型… §5.4·2速度方向控制的三自由度弹道仿真和结果分析 §5.5再入机动弹头落速大小的控制… (235) §5.5.]理想速度曲线的设计…… …………(235) §5.5.2速度大小控制问题…………………………………(238) §5.6机动弹头三自由度弹道仿真计算及分析……………………(242) §5.6.1机动弹头三自山度弹道仿真的数学模型… (242) §5.6.2机动弹头三自由度弹道仿真计算和分析……………(245) §5.7机动弹头六自由度弹道仿真及分析……………………(248) §5.7.]机动弹头六自由度弹道仿真的数学模型…………………(248) §5.7.2机动弹头六自由度弹道仿真及精度分折 ……(270) 第六章航天器返回轨道设计和再入制导方法 §6.1概述……………………………………………………(283) §6.1.1再人式航天器分类………………………………(284) S6.12航天器的返回过程………………………………………(289 §6.1.3航天器按返回轨道形式分类 (299) §6.1.4航天器再人走廊………… s6.2航天器返回制动方向的确定……………… …………(308) s6.2.1团轨道运行且速度冲量最小时推力方向的确定……(309)
§6.22椭圆轨道运行且速度冲量最小时推力方向的确定 (315) §6.2.3航程最小时推力方向的确定…………………………(318) §6.3人造地球卫星返回轨道设计… ………(322) §6.3.1轨道设计对卫星总体设计的要求… …(322) §6.3.2卫星标准返回轨道设计… (325) §6.3.3返回轨道偏差量和落点偏差的计算 …(326) §6.4载人飞船返回轨道设计 ……………(332) §641载人飞船轨道设计对总体设计的要求…………………(333) §6.42载人飞船以配平攻角飞行的运动…………………(337) 6.43载人飞船标准返回轨道设计原则…… (340 s6.44返回轨道设计的数学模型……………… …(348) §6.45载人飞船标准返回轨道设计……………………(361) 6.5载人飞船返回再人制导方法 (365) s6.51航天器返回再入制导的目的和内容…………………(365) §6.5.2载人飞船制动段关机方程………………………………(367) §6.5.3无再人制导时开伞点位量误差分折和机动能力 §6.5.4再人制导方法分类… (382) §6·5·5再人纵向制导最佳反馈增益系数的确定…………〔388) §6.6载人飞船返回再人误差分析…………………………………(400) §6.6.1开伞点星下点位置误老统计分析 ……(400) §6.6.2返回舱再人轨道最大偏差位置………………………(403) §6.7载人飞船利用预测能力制导方法简介 (404) §6.7.1纵程和横程同时控制的预测制导…………………………(406) §6.7.2纵程和横程分开制导的预测制导…………………(409) §6.8载人飞船六自由度轨道仿真及精度分析………………(412) §6.8.1载人飞船从制动到着陆段飞行程序… …(412) §6.82返回再入段姿态控制系统简介 (413) §6.8.3返回再入段六自由度轨道仿真的数学模型……………(424) §6.84飞船返回再人段六自由度轨道计算及精度分析……(442) §6.9航天飞机轨道器返轨道设计和再人制导方法 ·(445) §6.9.1航天飞机轨道器再入时的特点… 447)
中国国防科技网 http://www.8ltech.com §6.9.2轨道器再入时的关键技术…………………………(449) §6.9.3航天飞机轨道器再入轨道设计……………………(451) §6.9.4轨道器再入制导方法………… §6.9.5轨道器飞行控制命令和仿真分析………………………(471) §6.9.6轨道器末端能量管理(TAEM)段的制导方法……(474) 参考文献 (480)
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中国国防科技网 http://www.8ltech.com 第一章绪论 §1.1飞行力学研究的内容 §1.1.1飞行力学学科的定义和作用 1·飞行力学学科的定义 飞行力学学科的定义有不同的说法,最一般的说法是飞行力 学是研究飞行器运动规律的学科,是应用力学的一个新分支。它 是按照力学的基本原理结合具体对象一—飞行器来分析、研究在 有控制或无控制情况下飞行器运动特性的一门学科。 首先考虑一下“飞行”这个词。飞行一词定义为穿过流体介 质和真空的运动,而“飞行器”一词是指由某种方式联结在一起 的任一飞行的物体。这样定义飞行和飞行器,则弹丸是最简单的 飞行器,可视为一个单一的理想刚体。前一架飞机可视为复杂的 飞行器,它包含一个机体主体、旋转部分(喷气发动机)、操纵部 分和液体部分。 按上述飞行器的定义,飞行器可分为弹丸、飞机(又分为各 种飞机,如直升飞机、歼击机、轰炸机、民用飞机等)、导弹(又 细分为各种类型的导弹,如弹道导弹、战术导弹、地空导弹、巡 航导弹等)和航天器〔又细分为卫星、飞船、航天飞机、星际探 测器等)。相应地就有外弹道学、飞机飞行力学、导弹飞行力学和 航天器飞行力学。也可叫飞机飞行动力学、导弹飞行动力学、航 天器飞行动力学,在本书中飞行力学和飞行动力学无区别,只是
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中国国防科技网 http://www.8ltech.com 习惯问题。但不管飞行器种类多么复杂,除了弹丸的外弹道学外, 可以统称上述各种飞行力学为飞行器飞行力学。 从力学观点来看,飞行器飞行力学与理论力学中的质点系动 力学并无木质的区别。理论力学给出一般力学对象作机械运动所 应遵循的普遍规律和描述其运动的微分方程。而飞行器的运动只 是其受的约束和外力性质方面存在某些特点,例如飞行器一般在 三维空问内运动;飞行器所受的外力与运动状态、飞行器构造及 变形等有关,如在大气层内飞行时的空气动力、喷气发动机的推 力与飞行状态有关;此外对有控飞行器而言,人们可以通过控制 改变飞行器的受力情况,进而改变它的运动规律。所以飞行力学 是根据力学的普遍规律,深入分析飞行器这一待定对象作机械运 动时的特殊规律,建立描述其运动的微分方程,揭示飞行器运动 的客观规律,并运用这些规律来解决工程实际问题。 因为飞行器的运动与飞行器所受的空气动力发动机推力、飞 行器弹性变形、改变其运动规律的控制力有密切关系,所以飞行 力学的发展很自然地与相应的学科发生了联系这些学科包括:空 气动力学、结构力学、推进技术、现代控制工程、经典力学和应 用数学。电子计算机的发展,又为飞行力学研究提供了有效和快 速的手段,促进了飞行仿真技术的发展,所有这些,大大的丰富 了飞行器飞行力学的研究内容。 随着航空航天技术的进步,飞行力学已经不单纯是一个力学 学科的分支,它与控制发生密不可分的联系。因此也可这样来定 义飞行力学 飞行力学是研究飞行器运动和引起这一运动的作用力之同相 互关系的学科。它与飞行器的工程设计和实际应用有非常密切的 关系。飞行力学是型号设汁、飞行器性能和使用条件、武器系统 的可靠性、精度、攻防对抗、飞行仿真、飞行试验和战斗使用的 理论基础。它已发展成为一门多学科交叉的综合性的学科。飞行
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中国国防科技网 http://www.8ltech.com 力学不仅涉及到刚体力学、弹性力学和空气动力学方面的广泛知 识,而且还要应用控制工程、系统工程、生物力学、计算机科学 和数理统计学科的最新成果。从广义上来讲,可以认为飞行力学 是研究飞行器在气动力、惯性力、弹性力和控制力作用下飞行器 运动规律以及这四种力之间相互关系的学科。也有人简单的定义 飞行力学是研究飞行器运动规律及其伴随发生现象的学科。为了 突出控制对飞行力学的作用也可以定义飞行力学是一门研究飞行 器运动、控制以及外力相互作用的技术学科。 由于飞行器是一个复杂的系统,描述其运动的微分方程组十 分复杂。如果不进行适当的简化,研究问题十分不方便,根据飞 行器运动特点,在工程上常将飞行器的运动分成质心运动和绕质 心运动两部分进行研究,相应地各种飞行器飞行力学也分为两部 分来研究,但名称各异 如飞机飞行力学将分析质心运动规律,确定飞机基本飞行性 能、续航性能、机动性能、起落性能和设计合理的飞行剖面称为 飞机飞行性能计算。而将研究飞机绕质心运动称为飞机飞行动力 学——飞机的稳定性和操纵性。它着重分析在外界扰动和操纵作 用下,飞机(刚体、质点系)的运动特性,即所谓飞机的飞行品 质。包括如何实现各种平衡飞行;平衡飞行状态受外界扰动后所 呈现的运动稳定性;以及飞机对于控制的反应等。 导弹飞行力学将分析质心运动规律的学科称为弹道学,此时 将导弹运动看成可控制质点的运动,即假定控制系统工作是理想 的,导弹的质量集中在质心上,在飞行的任一瞬间作用在导弹上 所有外力的合力矩为零,郎瞬时平衡假设。这样,研究作用在导 弹上的力和运动之间的关系,就可以求出质心运动轨迹,得到飞 行速度、位置、过载等飞行参数。而将研究绕质心运动规律的学 科称为导弹动态特性,也有其它称呼,如导弹姿态动力学、弹体 稳定性和操纵性等。此时将导弹当作质点系来研究其运动情况,不
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中国国防科技网 http://www.8ltech.com 仅要考虑作用在质心上的力,而且主要考虑绕质心作用的力矩,并 把导弹看成为控制系统的一个环节--控制对象,研究它的动态 特性,即在于扰作用下,能否保持原来的飞行状态,在操纵机构 作用下,导弹改变飞行状态的能力如何,也就是研究稳定性与操 纵性问题。因此导弹的动态分析也可称为导弹质点系动力学。导 弹的动态特性如果只考虑导弹弹体本身的动态特性,认为舵固定 或者以某种形式输人看飞行器运动参数变化称为弹体的动态特性 或弹体的稳定性和操纵性。如果考虑控制系统工作,研究导弹对 干扰的反应和有误差输人时的响应称为导弹的动态特性或导弹的 稳定性和操纵性、此时更多的是分析其落点精度或命中点精度,即 精度分析。 航天器飞行动力学还有其它名称,如航天器运动理论、航天 动力学,且更多的是用航天动力学。航天动力学称研究航天器质 心运动部分为轨道动力学或轨道力学,主要研究内容有轨道确定 轨道摄动、轨道设计及优化、轨道测量、变轨控制及轨道机动、轨 道保持、交会对接、再入和着陆轨道。而将研究绕质心运动部分 称为航天器姿态动力学,实际上也可以称为航天器稳定性和操纵 性,主要研究内容有姿态确定、姿态保持和姿态控制等。在航天 动力学和控制书刊中有自己一套术语:轨道控制和姿态控制,简 称轨控和姿控。姿态控制是对航天器绕其质心的转动角和转动角 速度的控制,而轨道控制是对航天器质心位置和速度的控制。轨 道控制又可分为导航和制导两部分,导航的任务是确定航天器在 .飞行轨迹上的位置和速度。制导的任务是按一定的制导规律控制 航天器按要求的飞行轨迹运动 2.飞行力学的作用 飞行力学是研究飞行器运动规律的学科。它与飞行器的工程 设计和实际应用有着非常密切的关系。 ①飞行力学是型号设计的重要理论基础
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中国国防科技网 http://www.8ltech.com ②飞行力学决定飞行器的飞行性能、使用条件。与飞行器的 总体设计、制导和控制系统设计、结构设计有密切的关系。是新 型号设计和改进飞行器性能的关键技术之一; ③飞行力学是研究飞行器的可靠性、精度、攻防对抗、作战 效能和飞行规划的理论基础; ④飞行力学是飞行器CAD、飞行仿真和飞行试验的理论基 础 飞行力学是研究飞行器作为武器时战斗使用问题的理论基 础。 关于飞行力学的作用,中国科学院和中国工程院恍士顾诵芬 总结为:飞行器能否达到预期的战术技术性能、能否易于操作和 安全使用,其评定最直接的手段是靠飞行力学的研究 飞行力学与其它学科的关系和作用如图1-1所示 [空气动力学 刚体力学 飞行器 设计 弹性结构力学 行动力学 飞行番 控制工程 驾驶 仿真技术 训练 应用数学,计算机 质心运动稳定性和操纵精度分析 性姿态动力学 图1-1学科关系方块图
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