面空导弹飞行动力学

　　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。

　　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。

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1

1.1引言1

1.2地球参考模型1

1.2.1坐标系定义1

1.2.2两类地球参考模型2

1.2.3地球引力加速度模型4

1.2.4地球参考模型选用6

1.3坐标系和角度的定义7

1.3.1坐标系定义7

1.3.2角度定义8

1.3.3关于姿态角定义的说明11

1.3.4舵偏角极性定义11

1.4坐标系之间的旋转变换及矢量导数关系12

1.4.1坐标系之间的旋转变换12

1.4.2坐标系之间的矢量导数关系14

1.5坐标系之间的关系14

1.6导弹运动方程16

1.6.1质心运动微分方程17

1.6.2绕质心转动微分方程25

1.7作用在导弹上的力和力矩29

1.7.1风对导弹运动的影响29

1.7.2作用在导弹上的力32

1.7.3作用在导弹上的力矩33

1.8几何关系方程35

1.9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40

2.1引言40

2.2坐标系和角度的定义40

2.2.1坐标系定义40

2.2.2角度定义40

2.3坐标系之间的关系41

2.3.1斜置速度坐标系与气动固联坐标系41

2.3.2斜置速度坐标系与速度坐标系41

2.3.3各坐标系之间的综合关系42

2.4面空导弹刚性弹体数学模型42

2.4.1气动力和气动力矩42

2.4.2刚性弹体动力学方程43

2.4.3刚性弹体耦合性分析44

2.4.4刚性弹体动力学方程简化45

2.5刚性弹体动力学方程的小扰动、线性化及系数固化46

2.6刚性弹体状态方程49

2.7刚性弹体动力系数51

2.8刚性弹体传递函数52

2.8.1俯仰运动传递函数52

2.8.2滚转运动传递函数55

2.9刚性弹体俯仰运动传递函数56

2.9.1传递函数的零点和极点56

2.9.2传递函数简化57

2.9.3传递函数时域特性分析63

2.9.4传递函数频域特性分析65

2.9.5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69

3.1引言69

3.2坐标系定义69

3.3弹性弹体数学模型70

3.3.1基本假设70

3.3.2Lagrange方程71

3.3.3系统动能71

3.3.4系统势能73

3.3.5系统阻尼能74

3.3.6作用在弹体上的广义力74

3.3.7弹性弹体动力学方程79

3.3.8弹体纵轴横向弹性振动计算90

3.4弹性弹体动力学方程的小扰动、线性化及系数固化91

3.5弹性弹体状态方程95

3.6弹性弹体传递函数97

3.6.1弹性弹体传递函数简化97

3.6.2弹性弹体传递函数分析99

3.6.3弹性弹体传递函数选用101

3.7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105

4.1引言105

4.2坐标系和角度的定义105

4.2.1坐标系定义105

4.2.2角度定义106

4.2.3坐标系之间的关系106

4.3遥控指令制导方法107

4.3.1三点法107

4.3.2前置点法107

4.3.3半前置点法108

4.4三种遥控指令制导方法对应的需用加速度109

4.4.1三点法110

4.4.2前置点法111

4.4.3半前置点法111

4.5三种遥控指令制导方法工程应用112

4.6遥控指令制导面空导弹制导回路数学模型113

4.6.1弹道组成113

4.6.2制导回路结构113

4.6.3动态误差补偿模型121

4.6.4扭角补偿模型125

4.6.5制导回路模型126

4.7遥控指令制导面空导弹制导回路分析127

4.8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130

5.1引言130

5.2坐标系和角度的定义130

5.2.1坐标系定义130

5.2.2角度定义131

5.2.3坐标系之间的关系131

5.3比例导引制导律132

5.3.1制导回路结构132

5.3.2初始航向误差影响134

5.3.3目标机动影响139

5.3.4末制导时间和导航比要求143

5.3.5工程实现144

5.4增强比例导引制导律145

5.4.1无限控制刚度146

5.4.2有限控制刚度148

5.5最优制导律150

5.5.1目标常值机动一阶动力学最优制导律150

5.5.2目标正弦机动一阶动力学最优制导律154

5.5.3最优制导律实现157

5.5.4最优制导律简化157

5.5.5最优制导律特性分析158

5.6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167

6.1引言167

6.2质心运动的动力学方程167

6.3质心运动的运动学方程172

6.4遥控指令制导面空导弹制导方法172

6.5寻的制导面空导弹制导方法174

6.6平衡攻角和平衡舵偏角的计算177

6.6.1遥控指令制导导弹在弹道坐标系下的需用
加速度177

6.6.2寻的制导导弹在弹道坐标系下的需用
加速度181

6.6.3导弹在气动固联坐标系下的需用加速度181

6.6.4导弹在气动固联坐标系下的平衡攻角和平衡
舵偏角182

6.7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186

7.1引言186

7.2面空导弹性能分析186

7.2.1静稳定性分析186

7.2.2动稳定性分析187

7.2.3快速性分析187

7.2.4操纵性分析188

7.2.5机动性分析188

7.2.6各项性能之间的关系188

7.2.7过载自动驾驶仪对弹体性能的影响189

7.3飞行包线确定189

7.3.1主动段190

7.3.2被动段191

7.4基于飞行包线的性能分析192

7.4.1静稳定性分析192

7.4.2动稳定性分析193

7.4.3快速性分析193

7.4.4操纵性分析193

7.4.5机动性分析194

7.5基于飞行包线的弹体动力系数计算194

7.6基于飞行包线的铰链力矩计算195

7.7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198

8.1引言198

8.2气动力来源198

8.3气动力和气动力矩199

8.3.1气动力在气动固联坐标系的分解199

8.3.2气动力矩在气动固联坐标系的分解200

8.4面空导弹气动外形200

8.4.1面空导弹气动布局200

8.4.2面空导弹几何形状和参数200

8.5轴向力202

8.5.1摩擦轴向力203

8.5.2压差轴向力206

8.6法向力和横向力210

8.6.1法向力210

8.6.2横向力224

8.7压力中心224

8.7.1单独弹翼压力中心224

8.7.2单独弹身压力中心225

8.7.3零舵偏全弹压力中心226

8.8俯仰力矩226

8.8.1俯仰静力矩227

8.8.2俯仰操纵力矩228

8.8.3俯仰阻尼力矩228

8.8.4俯仰下洗时差阻尼力矩228

8.8.5舵面偏转角速度产生的俯仰力矩228

8.9偏航力矩229

8.10滚转力矩229

8.10.1斜吹力矩230

8.10.2滚转操纵力矩230

8.10.3滚转阻尼力矩231

8.11气动交叉耦合231

8.12铰链力矩231

8.13气动特性研究方法232

8.13.1工程计算232

8.13.2数值模拟235

8.13.3风洞实验240

8.14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245

9.1引言245

9.2载荷的内涵及分类245

9.3载荷设计状态247

9.3.1飞行载荷247

9.3.2地面载荷247

9.3.3发射载荷247

9.4飞行载荷计算的输入及约束条件247

9.4.1飞行载荷计算的输入247

9.4.2飞行载荷计算的约束条件248

9.5飞行载荷中典型弹道和设计点的选择248

9.5.1典型弹道选择248

9.5.2设计点选择249

9.6飞行载荷加载情况249

9.7飞行载荷计算252

9.7.1弹身飞行载荷252

9.7.2舵面/弹翼飞行载荷258

9.8飞行载荷计算结果259

9.9载荷最严酷状态260

9.10安全系数和剩余强度系数260

9.10.1安全系数260

9.10.2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263

10.1引言263

10.2气动加热基本知识263

10.2.1传热基本形式263

10.2.2气动加热来源265

10.2.3气动加热影响因素266

10.2.4气动加热重点部位267

10.2.5气动外形设计中的降热考虑268

10.2.6壁面状态对气动热的影响268

10.2.7气动热环境参数270

10.2.8气动加热中的典型弹道270

10.3面空导弹热交换规律271

10.4气动热环境预示方法273

10.4.1工程计算273

10.4.2数值模拟280

10.4.3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