内容简介

随着面空导弹技术的发展，面空导弹飞行动力学理论也在不断发展。本书专门针对面空导弹，系统总结了面空导弹飞行动力学的相关理论。建立了考虑复杂地球模型的飞行动力学模型。完整推导了基于气动固联坐标系的刚性弹体和弹性弹体状态方程和传递函数。对于遥控指令制导和寻的制导回路结构的研究是本书作为飞行动力学专业书籍的特色，方便读者更深入理解制导律及其实现方法。在三自由度弹道模型中，直接在气动固联坐标下计算平衡攻角和平衡舵偏角，避免了气动数据在气动固联坐标系和弹体坐标系之间的转换。不同于传统基于典型弹道特征点的性能分析方法，本书提出了基于飞行包线的性能分析方法，确保覆盖全部飞行空域。另外，本书介绍了气动力基础、载荷基础和气动热环境基础理论知识，以便读者了解与飞行动力学密切相关的专业。

编辑推荐

本书具有创新的编写思路，具有工程的实施思路，具有成果的系统总结，是一本介绍面空导弹的高水平著作。

作者简介

高庆丰，博士，高级工程师。长期从事飞行器总体设计、飞行器力学和飞行器制导控制的研究，发表论文30余篇。

前言

导弹飞行动力学是研究导弹在飞行过程中，在各种力作用下运动规律的学科。它是一门交叉学科，同理论力学、自动控制理论、结构动力学、空气动力学、工程数学、仿真技术等有着密切的联系。面空导弹在世界上已经有70多年的发展历史，在我国也有60多年的历史。70多年来，面空导弹技术有了重大发展，作为与面空导弹总体设计和控制系统设计密切相关的飞行动力学专业，其理论和方法也得到了相应的发展。本书的研究对象为轴对称气动外形、侧滑转弯控制(Skid To Turn, STT)面空导弹，这也是世界上大多数面空导弹采用的设计形式。与近程面空导弹相比，中远程面空导弹的速度和射程都得到了提高，需要考虑复杂的地球形状和地球的旋转，本书建立了考虑复杂地球模型的面空导弹飞行动力学模型。从面空导弹刚性弹体质心运动和绕质心转动的动力学方程出发，完整推导了基于气动固联坐标系的面空导弹刚性弹体状态方程和传递函数。在Lagrange方程的基础上，完整推导了基于气动固联坐标系的面空导弹弹性弹体状态方程和传递函数。建立了遥控指令制导回路结构及数学模型，并对制导回路进行了分析。建立了寻的制导回路结构及数学模型，给出了比例导引、增强比例导引以及制导律的实现方法。提出了基于气动固联坐标系的面空导弹三自由度弹道模型，直接在气动固联坐标下计算平衡攻角和平衡舵偏角，能够避免气动数据在气动固联坐标系和弹体坐标系之间的转换。不同于传统基于典型弹道特征点的面空导弹性能分析方法，提出了基于飞行包线的面空导弹性能分析方法。本书也包含了与飞行动力学密切相关的气动力基础、载荷基础和气动热环境基础三部分内容。全书共分10章。第1章为考虑复杂地球模型的面空导弹飞行动力学模型，第2章为基于气动固联坐标系的面空导弹刚性弹体状态方程和传递函数，第3章为基于气动固联坐标系的面空导弹弹性弹体状态方程和传递函数，第4章为遥控指令制导面空导弹制导律，第5章为寻的制导面空导弹制导律，第6章为面空导弹三自由度弹道模型，第7章为基于飞行包线的面空导弹性能分析，第8章为面空导弹气动力基础，第9章为面空导弹载荷基础，第10章为面空导弹气动热环境基础，附录为线性时变微分方程的求解过程。本书第1章由高庆丰、周伟撰写，第2章由高庆丰、李嘉玮、魏宏夔撰写，第3章由高庆丰、王超伦、谢金松撰写，第4章由陈罗婧、高庆丰撰写，第5章由刘德忠、袁耀、高庆丰、谢金松撰写，第6章由袁耀、高庆丰、马鸣宇撰写，第7章由谷逸宇、高庆丰撰写，第8章由陈刚撰写，第9章由刘珊撰写，第10章由逯雪铃撰写，附录由袁耀、高庆丰撰写。全书由高庆丰统稿，马鸣宇校对。袁耀、谷逸宇、高庆丰、潘浩、周伟绘制了书中的插图。在本书撰写过程中，阅读和参考了大量的文献资料，在此对所有参考文献的作者表示诚挚的谢意。感谢姚来辉研究员对本书第8章的审阅。感谢刘永利研究员对本书第9章的审阅。感谢李旭、赵明霞、陈阳阳、刘吉成、彭振、魏宏夔、黄玲雅、徐杰、戴磊、丁海河、孟希慧、王晓东、苗静、宗睿、薛清宇、姜虹、王锋、陈晓岚和王胜在本书完成过程中提供的帮助。感谢航天科工出版基金资助本书出版。由于作者水平所限，书中难免存在错误和不妥之处，恳请广大读者批评指正。

目录

第1章 考虑复杂地球模型的面空导弹飞行动力学模型11.1引言11.2地球参考模型11.2.1坐标系定义11.2.2两类地球参考模型21.2.3地球引力加速度模型41.2.4地球参考模型选用61.3坐标系和角度的定义71.3.1坐标系定义71.3.2角度定义81.3.3关于姿态角定义的说明111.3.4舵偏角极性定义111.4坐标系之间的旋转2换及矢量导数关系121.4.1坐标系之间的旋转2换121.4.2坐标系之间的矢量导数关系141.5坐标系之间的关系141.6导弹运动方程161.6.1质心运动微分方程171.6.2绕质心转动微分方程251.7作用在导弹上的力和力矩291.7.1风对导弹运动的影响291.7.2作用在导弹上的力321.7.3作用在导弹上的力矩331.8几何关系方程351.9关于模型的分类和对比36参考文献38第2章 基于气动固联坐标系的面空导弹刚性弹体状态方程和传递函数402.1引言402.2坐标系和角度的定义402.2.1坐标系定义402.2.2角度定义402.3坐标系之间的关系412.3.1斜置速度坐标系与气动固联坐标系412.3.2斜置速度坐标系与速度坐标系412.3.3各坐标系之间的综合关系422.4面空导弹刚性弹体数学模型422.4.1气动力和气动力矩422.4.2刚性弹体动力学方程432.4.3刚性弹体耦合性分析442.4.4刚性弹体动力学方程简化452.5刚性弹体动力学方程的小扰动、线性化及系数固化462.6刚性弹体状态方程492.7刚性弹体动力系数512.8刚性弹体传递函数522.8.1俯仰运动传递函数522.8.2滚转运动传递函数552.9刚性弹体俯仰运动传递函数562.9.1传递函数的零点和极点562.9.2传递函数简化572.9.3传递函数时域特性分析632.9.4传递函数频域特性分析652.9.5传递函数计算注意事项65参考文献68第3章 基于气动固联坐标系的面空导弹弹性弹体状态方程和传递函数693.1引言693.2坐标系定义693.3弹性弹体数学模型703.3.1基本假设703.3.2Lagrange方程713.3.3系统动能713.3.4系统势能733.3.5系统阻尼能743.3.6作用在弹体上的广义力743.3.7弹性弹体动力学方程793.3.8弹体纵轴横向弹性振动计算903.4弹性弹体动力学方程的小扰动、线性化及系数固化913.5弹性弹体状态方程953.6弹性弹体传递函数973.6.1弹性弹体传递函数简化973.6.2弹性弹体传递函数分析993.6.3弹性弹体传递函数选用1013.7气动伺服弹性稳定性101参考文献103第4章 遥控指令制导面空导弹制导律1054.1引言1054.2坐标系和角度的定义1054.2.1坐标系定义1054.2.2角度定义1064.2.3坐标系之间的关系1064.3遥控指令制导方法1074.3.1三点法1074.3.2前置点法1074.3.3半前置点法1084.4三种遥控指令制导方法对应的需用加速度1094.4.1三点法1104.4.2前置点法1114.4.3半前置点法1114.5三种遥控指令制导方法工程应用1124.6遥控指令制导面空导弹制导回路数学模型1134.6.1弹道组成1134.6.2制导回路结构1134.6.3动态误差补偿模型1214.6.4扭角补偿模型1254.6.5制导回路模型1264.7遥控指令制导面空导弹制导回路分析1274.8遥控指令制导面空导弹制导回路设计128参考文献129第5章 寻的制导面空导弹制导律1305.1引言1305.2坐标系和角度的定义1305.2.1坐标系定义1305.2.2角度定义1315.2.3坐标系之间的关系1315.3比例导引制导律1325.3.1制导回路结构1325.3.2初始航向误差影响1345.3.3目标机动影响1395.3.4末制导时间和导航比要求1435.3.5工程实现1445.4增强比例导引制导律1455.4.1无限控制刚度1465.4.2有限控制刚度1485.52优制导律1505.5.1目标常值机动一阶动力学2优制导律1505.5.2目标正弦机动一阶动力学2优制导律1545.5.32优制导律实现1575.5.42优制导律简化1575.5.52优制导律特性分析1585.6寻的制导面空导弹制导回路设计165参考文献166第6章 面空导弹三自由度弹道模型1676.1引言1676.2质心运动的动力学方程1676.3质心运动的运动学方程1726.4遥控指令制导面空导弹制导方法1726.5寻的制导面空导弹制导方法1746.6平衡攻角和平衡舵偏角的计算1776.6.1遥控指令制导导弹在弹道坐标系下的需用加速度1776.6.2寻的制导导弹在弹道坐标系下的需用加速度1816.6.3导弹在气动固联坐标系下的需用加速度1816.6.4导弹在气动固联坐标系下的平衡攻角和平衡舵偏角1826.7模型中的角度计算公式182参考文献185第7章 基于飞行包线的面空导弹性能分析1867.1引言1867.2面空导弹性能分析1867.2.1静稳定性分析1867.2.2动稳定性分析1877.2.3快速性分析1877.2.4操纵性分析1887.2.5机动性分析1887.2.6各项性能之间的关系1887.2.7过载自动驾驶仪对弹体性能的影响1897.3飞行包线确定1897.3.1主动段1907.3.2被动段1917.4基于飞行包线的性能分析1927.4.1静稳定性分析1927.4.2动稳定性分析1937.4.3快速性分析1937.4.4操纵性分析1937.4.5机动性分析1947.5基于飞行包线的弹体动力系数计算1947.6基于飞行包线的铰链力矩计算1957.7性能分析结果表达195参考文献197第8章 面空导弹气动力基础1988.1引言1988.2气动力来源1988.3气动力和气动力矩1998.3.1气动力在气动固联坐标系的分解1998.3.2气动力矩在气动固联坐标系的分解2008.4面空导弹气动外形2008.4.1面空导弹气动布22008.4.2面空导弹几何形状和参数2008.5轴向力2028.5.1摩擦轴向力2038.5.2压差轴向力2068.6法向力和横向力2108.6.1法向力2108.6.2横向力2248.7压力中心2248.7.1单独弹翼压力中心2248.7.2单独弹身压力中心2258.7.3零舵偏全弹压力中心2268.8俯仰力矩2268.8.1俯仰静力矩2278.8.2俯仰操纵力矩2288.8.3俯仰阻尼力矩2288.8.4俯仰下洗时差阻尼力矩2288.8.5舵面偏转角速度产生的俯仰力矩2288.9偏航力矩2298.10滚转力矩2298.10.1斜吹力矩2308.10.2滚转操纵力矩2308.10.3滚转阻尼力矩2318.11气动交叉耦合2318.12铰链力矩2318.13气动特性研究方法2328.13.1工程计算2328.13.2数值模拟2358.13.3风洞实验2408.14气动力和气动力矩的计算和实验242参考文献243第9章 面空导弹载荷基础2459.1引言2459.2载荷的内涵及分类2459.3载荷设计状态2479.3.1飞行载荷2479.3.2地面载荷2479.3.3发射载荷2479.4飞行载荷计算的输入及约束条件2479.4.1飞行载荷计算的输入2479.4.2飞行载荷计算的约束条件2489.5飞行载荷中典型弹道和设计点的选择2489.5.1典型弹道选择2489.5.2设计点选择2499.6飞行载荷加载情况2499.7飞行载荷计算2529.7.1弹身飞行载荷2529.7.2舵面/弹翼飞行载荷2589.8飞行载荷计算结果2599.9载荷2严酷状态2609.10安全系数和剩余强度系数2609.10.1安全系数2609.10.2剩余强度系数261参考文献262第10章 面空导弹气动热环境基础26310.1引言26310.2气动加热基本知识26310.2.1传热基本形式26310.2.2气动加热来源26510.2.3气动加热影响因素26610.2.4气动加热重点部位26710.2.5气动外形设计中的降热考虑26810.2.6壁面状态对气动热的影响26810.2.7气动热环境参数27010.2.8气动加热中的典型弹道27010.3面空导弹热交换规律27110.4气动热环境预示方法27310.4.1工程计算27310.4.2数值模拟28010.4.3地面实验283 参考文献289附录 线性时变微分方程的求解过程292