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绪论1

0.1 飞行原理研究的内容1

0.1.1 飞行力学模型建立2

0.1.2 飞行控制系统设计2

0.1.3 未来发展趋势2

0.2 飞行力学若干基础问题探讨3

0.2.1 大气扰动建模和抑制问题3

0.2.2 非线性飞行动力学问题3

0.2.3 平流层飞艇动力学与控制4

0.2.4 异类控制效应复合控制技术4

0.3 本书编写特点与内容5

0.3.1 编写特点5

0.3.2 章节安排5

1 大气飞行基础6

1.1 地球大气层6

1.1.1 大气层的分布6

1.1.2 标准大气表达式7

1.1.3 空气的物理性质7

1.1.4 风场的分布9

1.2 空气动力飞行器11

1.2.1 飞机的组成11

1.2.2 飞机的升力12

1.3 空气静力飞行器14

1.3.1 飞艇的组成14

1.3.2 飞艇的浮力15

1.4 飞行器的阻力15

1.4.1 压差阻力16

1.4.2 诱导阻力17

1.4.3 阻力计算18

2 飞行器的运动学20

2.1 飞行器的速度20

2.2 飞行器的姿态20

2.3 直角坐标系变换22

2.3.1 位置变换23

2.3.2 角速度变换25

2.3.3 常用坐标系变换26

2.4 飞行器的运动学方程27

2.5 姿态的四元数表达28

3 飞行器的飞行性能31

3.1 稳态飞行性能31

3.1.1 稳态平飞31

3.1.2 稳态滑行33

3.1.3 稳态爬升34

3.1.4 平飞包线35

3.2 续航性能37

3.2.1 航程和航时37

3.2.2 最佳巡航39

3.3 机动飞行性能40

3.3.1 过载40

3.3.2 平飞加速和减速41

3.3.3 跃升42

3.3.4 盘旋43

3.4 滑跑起飞和着陆性能45

3.4.1 起飞滑跑段距离和时间46

3.4.2 上升段水平距离和时间47

3.4.3 着陆段水平距离和时间47

3.4.4 着陆滑跑段距离和时间48

3.5 飞艇的垂直起降性能49

3.5.1 最小氦气质量和最大飞行高度49

3.5.2 热环境和热力学模型50

3.5.3 起降性能数值仿真52

4 飞行器的静稳定性和静操纵性57

4.1 飞行器的平衡57

4.2 运动的稳定性58

4.2.1 运动稳定性定义58

4.2.2 飞行器的稳定性59

4.3 飞机的静稳定性60

4.3.1 飞机的重心、压心和焦点60

4.3.2 纵向静稳定性和升降舵操纵62

4.3.3 横侧向静稳定性和副翼操纵71

4.3.4 方向静稳定性和方向舵操纵73

4.4 飞艇的静稳定性75

4.4.1 飞艇的纵向静稳定性75

4.4.2 飞艇的横侧向静稳定性76

5 飞行器的动力学方程78

5.1 飞行器的受力分析78

5.1.1 流体惯性力、惯性力矩及附加质量79

5.1.2 空气动力和空气动力矩81

5.1.3 推力和推力矩81

5.1.4 重力、浮力和力矩82

5.2 刚体动力学方程83

5.3 模型解耦和线性化86

5.3.1 稳态飞行和扰动运动87

5.3.2 参数小扰动线性化88

5.3.3 力和力矩线性化和模型解耦89

5.3.4 力和力矩的无量纲导数94

5.3.5 数值小扰动线性化99

6 飞行器的动稳定性和动操纵性100

6.1 定常线性常微分系统通解100

6.1.1 齐次微分方程组求解100

6.1.2 非齐次微分方程组求解103

6.2 运动模态和模态参数104

6.3 拉普拉斯变换和传递函数105

6.4 线性系统的时域分析107

6.4.1 阶跃响应性能指标107

6.4.2 二阶系统的时域分析108

6.5 飞机的纵向动稳定性和操纵性111

6.5.1 纵向运动模态分析111

6.5.2 纵向运动模态近似114

6.5.3 纵向运动传递函数115

6.6 飞机的横侧向动稳定性和操纵性117

6.6.1 横向运动模态分析117

6.6.2 横向运动模态近似122

6.6.3 横向运动传递函数123

6.7 飞艇的动稳定性和操纵性125

6.7.1 飞艇纵向模态分析125

6.7.2 飞艇横侧向模态分析127

6.7.3 飞艇纵向操纵响应128

6.7.4 飞艇横侧向操纵响应129

7 飞行控制系统设计132

7.1 飞行控制系统组成132

7.2 基于根轨迹的控制器设计133

7.3 PID控制器134

7.3.1 PD控制器对响应性能的影响134

7.3.2 PI控制器对稳态误差的影响135

7.4 俯仰控制器设计135

7.4.1 比例控制136

7.4.2 微分控制137

7.4.3 比例微分控制137

7.4.4 闭环性能设计139

7.5 偏航控制器设计139

7.6 滚转控制器设计141

7.7 协调转弯运动控制142

8 多矢量推力飞艇复合控制系统设计144

8.1 飞艇执行机构模型144

8.2 控制系统方案146

8.2.1 水平位置跟踪146

8.2.2 高度位置跟踪147

8.3 增量式PID控制器设计148

8.4 力矩分配模块设计148

8.5 可重构控制系统设计149

8.5.1 多舵面的重构分配算法设计149

8.5.2 多螺旋桨的重构分配算法设计149

8.6 自主重构控制系统仿真151

8.6.1 无故障下轨迹跟踪仿真151

8.6.2 多个螺旋桨故障下仿真153

8.6.3 舵面和螺旋桨共同故障下仿真155

附录158

附录一 概念习题158

附录二 计算习题159

附录三 课程设计165

参考文献172

索引173