1、第一章 概 述主 講：趙黨軍電 話Email：zhao_飛行器制導(dǎo)與控制 飛行器作為制導(dǎo)控制系統(tǒng)對(duì)象，要求其具有良好的穩(wěn)定性、操縱性和機(jī)動(dòng)性。彈體作為系統(tǒng)回路中的重要組成部分，必然會(huì)通過輸入輸出關(guān)系對(duì)整個(gè)回路性能產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。第二章 控制對(duì)象及其運(yùn)動(dòng)特性姿態(tài)角U(s)k2彈體舵機(jī)k11/s角速度反饋角姿態(tài)反饋 不同飛行器具有不同特性，最直觀的反映就是其外形存在十分顯著的差別，可以說是千差萬別。這與任務(wù)需求及其工作環(huán)境密切相關(guān)。第二章 控制對(duì)象及其運(yùn)動(dòng)特性神舟飛船神舟飛船返回艙HyTech 計(jì)劃X-51獵鷹計(jì)劃CAVHelios太陽能無人機(jī)HAA高空駐留飛艇國(guó)際空

2、間站美國(guó)鳳凰號(hào)火星探測(cè)器第二章 控制對(duì)象及其運(yùn)動(dòng)特性教材章節(jié)：2.1 基礎(chǔ)知識(shí)2.2 作用力與作用力矩2.3 運(yùn)動(dòng)模型及其線性化2.4 飛行器運(yùn)動(dòng)特性分析講解思路：1. 各類飛行彈道及受力2. 基礎(chǔ)知識(shí)3. 作用力與作用力矩4. 運(yùn)動(dòng)模型及其簡(jiǎn)化 (含特性分析 )飛艇/懸浮平臺(tái)無人機(jī)/有人機(jī)火箭/炮彈運(yùn)載火箭/彈道導(dǎo)彈/略講 運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)：空域：低空-稠密大氣層 中高空/臨近空間-稀薄大氣層低速盤旋/定點(diǎn)懸浮/體積大/剛度低/柔性/結(jié)構(gòu)可變/控制力?。郝菪龢?浮力/響應(yīng)慢，狀態(tài)變化小 地球引力空氣動(dòng)力1. 各類飛行彈道及受力飛艇/氣球/懸浮平臺(tái)：空氣浮力推力 運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)：空域：中低空-稠密大氣層中低

3、速飛行：軌跡多樣化結(jié)構(gòu)固定/剛度偏低/彈性/有動(dòng)力飛行：吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)控制力大：推力矢量/氣動(dòng)力/響應(yīng)快，狀態(tài)變化包絡(luò)大 地球引力空氣動(dòng)力1. 各類飛行彈道及受力無人機(jī)/有人機(jī)：推力氣動(dòng)特性復(fù)雜 運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)：空域：低空-稠密大氣層中低速飛行：慣性軌跡結(jié)構(gòu)固定/剛度高/短時(shí)動(dòng)力/無動(dòng)力：火箭發(fā)動(dòng)機(jī)控制能力：無控/弱控地球引力空氣動(dòng)力1. 各類飛行彈道及受力火箭彈/航空炸彈/：推力 運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)：空域：全空域-稠密/稀薄大氣層全速域飛行：軌跡多樣化結(jié)構(gòu)固定/剛度高/有動(dòng)力飛行：火箭/吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)控制力大：推力矢量/氣動(dòng)力/響應(yīng)快地球引力空氣動(dòng)力1. 各類飛行彈道及受力運(yùn)載火箭/各類導(dǎo)彈/：推力 運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)：

4、空域：中低空-稠密大氣層中高速飛行：軌跡多樣化有動(dòng)力飛行：吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)控制力：氣動(dòng)力/推力矢量/響應(yīng)快，狀態(tài)變化包絡(luò)大 地球引力空氣動(dòng)力1. 各類飛行彈道及受力高超聲速飛行器：推力氣動(dòng)特性復(fù)雜HTV2X-51A 地球引力 空氣動(dòng)力 發(fā)動(dòng)機(jī)推力 控制力 1. 各類飛行彈道及受力基本受力分析：各種力的原理與計(jì)算？HTV2X-51A2. 基礎(chǔ)知識(shí) 為清晰描述飛行器的運(yùn)動(dòng)及各種力特性，首先介紹以下基礎(chǔ)知識(shí)： 質(zhì)心運(yùn)動(dòng)參數(shù)及描述 姿態(tài)運(yùn)動(dòng)參數(shù)及描述(含四元數(shù)簡(jiǎn)介) 其他運(yùn)動(dòng)參數(shù)及描述 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換(含方向余弦陣，歐拉角) 2. 基礎(chǔ)知識(shí) 質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的表述。 位置參數(shù)參考基準(zhǔn)：發(fā)射坐標(biāo)系；地心坐標(biāo)系；地理

5、坐標(biāo)系參數(shù)：經(jīng)度，緯度，高度h； (x, y, z)坐標(biāo) 速度參數(shù)質(zhì)心運(yùn)動(dòng)參數(shù)及描述：ZEXIOE北極春分點(diǎn)XEYEZI格林威治YI位置參數(shù)描述常用坐標(biāo)系：(2) 地心慣性坐標(biāo)系I： XI軸指向平春分點(diǎn)(2000年1月1.5日) ZI軸與地球自轉(zhuǎn)軸重合(1) 地心坐標(biāo)系E： XE軸指向給定子午線 ZE軸與地球自轉(zhuǎn)軸重合2. 基礎(chǔ)知識(shí)yzxOE發(fā)射子午面發(fā)射點(diǎn)北極A0MyzxOE發(fā)射子午面發(fā)射點(diǎn)北極a0(3) 發(fā)射坐標(biāo)系G： 原點(diǎn)發(fā)射點(diǎn)o，x軸在發(fā)射水平面內(nèi)指向瞄準(zhǔn)方向，y 軸垂直發(fā)射水平面指向上方，z 軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。圓形地球假設(shè)橢球地球假設(shè)位置參數(shù)描述常用坐標(biāo)系：2. 基礎(chǔ)知識(shí)定義？位置參

6、數(shù)描述常用坐標(biāo)系：2. 基礎(chǔ)知識(shí)(5) 地理坐標(biāo)系D： 原點(diǎn)位于彈下點(diǎn)od，xd軸位于當(dāng)?shù)厮矫鎯?nèi)沿飛行方向或北向，yd軸垂直于當(dāng)?shù)厮矫嬷赶蛏戏健?4) 發(fā)射慣性坐標(biāo)系A(chǔ)： 起飛瞬間，原點(diǎn)oA與發(fā)射點(diǎn)o重合，各軸也與發(fā)射坐標(biāo)系各軸重合?；鸺痫w后，各軸保持慣性空間定向。2. 基礎(chǔ)知識(shí) 質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的表述。 位置參數(shù) 速度參數(shù) 參考基準(zhǔn)：發(fā)射坐標(biāo)系；彈體坐標(biāo)系；速度坐標(biāo)系參數(shù)：速度v，速度傾角，航跡偏航角； (vx, vy, vz)坐標(biāo)質(zhì)心運(yùn)動(dòng)參數(shù)及描述：速度參數(shù)描述常用坐標(biāo)系：2. 基礎(chǔ)知識(shí)(7) 速度坐標(biāo)系V： 原點(diǎn)位于質(zhì)心o1，xv軸沿速度方向，yv軸位于主對(duì)稱面。(6) 彈體坐標(biāo)系B：

7、 原點(diǎn)位于質(zhì)心o1，x1軸沿彈體對(duì)稱軸指向頭部，y1軸位于主對(duì)稱面。速度vx1質(zhì)心O1彈體縱軸y1z1xvyvzv2. 基礎(chǔ)知識(shí) 姿態(tài)運(yùn)動(dòng)參數(shù)：剛體繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的表述。 姿態(tài)參數(shù)：角位置參數(shù)參考基準(zhǔn)：發(fā)射坐標(biāo)系參數(shù)：俯仰角，偏航角，滾動(dòng)角； 四元數(shù) 角速度參數(shù)姿態(tài)運(yùn)動(dòng)參數(shù)及描述：19 四元數(shù)可用于描述坐標(biāo)系A(chǔ)B的轉(zhuǎn)換矩陣，而姿態(tài)角也可以描述彈體系相對(duì)發(fā)射系的轉(zhuǎn)換矩陣(321轉(zhuǎn)序)： 則可建立歐拉角與四元數(shù)之間的關(guān)系2. 基礎(chǔ)知識(shí) 四元數(shù)：用超復(fù)數(shù)描述 規(guī)范四元數(shù)2. 基礎(chǔ)知識(shí) 姿態(tài)運(yùn)動(dòng)參數(shù)：剛體繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的表述。 姿態(tài)參數(shù)：角位置參數(shù) 角速度參數(shù)參考基準(zhǔn)：彈體坐標(biāo)系參數(shù)：俯仰角速度x1，

8、偏航角y1，滾動(dòng)角z1； 四元數(shù)姿態(tài)運(yùn)動(dòng)參數(shù)及描述：2. 基礎(chǔ)知識(shí) 彈目相對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)：參考基準(zhǔn)：視線坐標(biāo)系參數(shù)：相對(duì)距離，高低角D，方位角T ； 相對(duì)速度 ，視線轉(zhuǎn)率 導(dǎo)航參數(shù)參考基準(zhǔn)：慣性坐標(biāo)系；平移坐標(biāo)系參數(shù)：位置，速度；姿態(tài)角；過載；其他運(yùn)動(dòng)參數(shù)及描述：其他參數(shù)描述常用坐標(biāo)系：2. 基礎(chǔ)知識(shí)(8) 視線坐標(biāo)系S： 原點(diǎn)位于質(zhì)心o1，軸指向目標(biāo)， 軸位于當(dāng)?shù)厮矫鎯?nèi)。(9) 彈道坐標(biāo)系H： 與速度坐標(biāo)系V的差別在于速度滾動(dòng)角。2. 基礎(chǔ)知識(shí) 方向余弦陣(轉(zhuǎn)換矩陣)： 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換：運(yùn)動(dòng)參數(shù)在不同坐標(biāo)系投影量的計(jì)算定義PQ為Q系單位矢量變換到P系單位矢量的轉(zhuǎn)換矩陣，有顯然有其中方向余弦陣PQ為

9、對(duì)稱正交矩陣，只有三元素是獨(dú)立的。最簡(jiǎn)單形式： 存在平行軸，其余相應(yīng)軸夾角為，則有 繞x軸旋轉(zhuǎn) 繞y軸旋轉(zhuǎn) 繞z軸旋轉(zhuǎn)2. 基礎(chǔ)知識(shí)X1OEX2Y2Z2旋轉(zhuǎn)軸Y1Z1 將坐標(biāo)系視作剛體，則經(jīng)三次旋轉(zhuǎn)后可與另一坐標(biāo)系重合，這三個(gè)旋轉(zhuǎn)角度稱作歐拉角，可用來描述方向余弦陣。 旋轉(zhuǎn)過程(321轉(zhuǎn)序)如下： 其他旋轉(zhuǎn)過程有231、313等，矩陣形式不同，但其元素值是唯一的。傳遞性2. 基礎(chǔ)知識(shí)(1) 地心慣性系I與地心坐標(biāo)系E： (2) 地心坐標(biāo)系E與發(fā)射坐標(biāo)系G： 設(shè)地球?yàn)閳A球，發(fā)射點(diǎn)用經(jīng)度0及地心緯度0描述，有ZEXIOE北極春分點(diǎn)北極XEYEZI格林威治yzx發(fā)射子午面發(fā)射點(diǎn)a0OEXEYEZE2

10、. 基礎(chǔ)知識(shí)常用坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換： (4) 發(fā)射坐標(biāo)系G與速度坐標(biāo)系V： 設(shè)321轉(zhuǎn)序，旋轉(zhuǎn)角為 ，則 (3) 發(fā)射坐標(biāo)系G 與彈體坐標(biāo)系B： 設(shè)321轉(zhuǎn)序，旋轉(zhuǎn)角為 ，則2. 基礎(chǔ)知識(shí)常用坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換：(5) 速度坐標(biāo)系V與彈體坐標(biāo)系B： 由于速度系yv軸位于主對(duì)稱面x1o1 y1內(nèi)，因此VB只有兩個(gè)歐拉角，稱為攻角和側(cè)滑角，且設(shè)定VB轉(zhuǎn)序?yàn)?3，則2. 基礎(chǔ)知識(shí)常用坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換：(6) 發(fā)射慣性系A(chǔ) 與發(fā)射標(biāo)系G： 由于在發(fā)射時(shí)刻A,G坐標(biāo)系重合，因此其轉(zhuǎn)換角與飛行時(shí)間 t 相關(guān)，發(fā)射系繞地軸旋轉(zhuǎn)角為 ，則2. 基礎(chǔ)知識(shí)常用坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換：(7) 視線系S 與彈體系B： 視線只需兩個(gè)角度即可描述，取23

11、轉(zhuǎn)序，有歐拉角： 方位角 T 高低角 D 可用于導(dǎo)引頭測(cè)量、地面雷達(dá)測(cè)量及末制導(dǎo)攻擊等。2. 基礎(chǔ)知識(shí)常用坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換： 由于各坐標(biāo)系之間定義有歐拉角，必然存在一定聯(lián)系。 (1) 彈體系B 、速度系V與發(fā)射系G聯(lián)系： 因此可利用姿態(tài)角和攻角、側(cè)滑角來確定速度角。如果認(rèn)為側(cè)向角為小量，則攻角為小量2. 基礎(chǔ)知識(shí)歐拉角關(guān)系： (2) 速度系V、發(fā)射系G與平移系T聯(lián)系： 彈體相對(duì)發(fā)射系姿態(tài)角為 ，相對(duì)平移系姿態(tài)角為 ，考慮到發(fā)射系與發(fā)射慣性系矩陣GT，有 因此可利用姿態(tài)角和飛行時(shí)間來確定慣性姿態(tài)角。2. 基礎(chǔ)知識(shí)歐拉角關(guān)系：3. 作用力與作用力矩 根據(jù)牛頓定理，飛行器的運(yùn)動(dòng)規(guī)律取決于其所受的作用力與作

12、用力矩。 引力、重力 發(fā)動(dòng)機(jī)推力與推力矩 空氣動(dòng)力與氣動(dòng)力矩 控制力與控制力矩 其他力與力矩 引力矩？引力位： 保守力場(chǎng)中力(場(chǎng)強(qiáng))與勢(shì)函數(shù)(引力位)U有如下關(guān)系： 單位質(zhì)點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)為 地球引力場(chǎng)是保守力場(chǎng)。若地球?yàn)榫|(zhì)圓球，可把質(zhì)量M集中到地心，則單位質(zhì)點(diǎn)的引力位為萬有引力常數(shù)地球引力常數(shù)引力加速度矢量 質(zhì)量為m的質(zhì)點(diǎn)所受引力為梯度3.1 地球引力 地球引力大小和方向與地球形狀(質(zhì)量分布)密切相關(guān)。 地球是個(gè)形狀復(fù)雜的物體，無法用數(shù)學(xué)方法描述。 由于自轉(zhuǎn)使其赤道部分較為隆起，而兩極間距離稍小，即為扁球體。 表面形狀不規(guī)則： 大陸，海洋；高山，海溝 內(nèi)部質(zhì)量不均勻： 固體，液體，氣體地球形狀：3

13、.1 地球引力 通常地球形狀是指全球靜止海平面。該面不考慮地球物理表面起伏，與實(shí)際靜止海平面重合，并延伸到陸地，稱為大地水準(zhǔn)面，是等重力勢(shì)面，但仍無法數(shù)學(xué)描述。 實(shí)際應(yīng)用簡(jiǎn)單形狀： 一級(jí)近似：均質(zhì)圓球 R = 6,371,004m 地球形狀：3.1 地球引力 最常用近似：總地球橢球體橢球體質(zhì)量等于地球質(zhì)量，兩者的旋轉(zhuǎn)角速度相等橢球體中心與地球質(zhì)心重合，赤道面與地球赤道面重合橢球體體積與大地水準(zhǔn)面圍成的體積相等橢球體表面對(duì)大地水準(zhǔn)面的表面高度偏差的平方和最小WGS84基準(zhǔn)：長(zhǎng)半軸：ae6,378,137m扁 率：e1/298.25722356地球形狀：3.1 地球引力 要精確求出引力位，必須知道

14、地球的質(zhì)量分布。目前用球函數(shù)展開式 實(shí)際地球?yàn)樾螤顝?fù)雜的非均勻體，單位質(zhì)點(diǎn)的引力位為 其中為地球赤道平均半徑為地球諧函數(shù)為締合勒讓德函數(shù)實(shí)際地球引力位：3.1 地球引力 在工程應(yīng)用中，取到J2項(xiàng)即可滿足較高的精度。 不同地球模型對(duì)應(yīng)諧系數(shù)有所差異。對(duì)于兩軸旋轉(zhuǎn)橢球體，設(shè)質(zhì)量分布對(duì)稱于地軸和赤道面，則其引力位為正常引力位只存在偶階帶諧函數(shù) 正常引力位與實(shí)際引力位的差別稱為引力位異常。地球引力位：3.1 地球引力地球引力： 有了引力勢(shì)函數(shù)，即可求取引力加速度矢。 若不考慮含J項(xiàng)，則有含J項(xiàng)即是考慮了地球扁率后的修正。因?yàn)槌嗟啦糠致∑?，引起偏向赤道的引力分量?.1 地球引力對(duì)應(yīng)地球條件？ 引力也可

15、投影到矢徑和地球自旋方向： 引力與地心矢徑夾角為 在地球表面，夾角最大。地球引力：3.1 地球引力 相對(duì)地球靜止的質(zhì)點(diǎn)作用力為引力，但地球旋轉(zhuǎn)會(huì)引起質(zhì)點(diǎn)的離心慣性力，兩者之和稱為重力。重力計(jì)算： 離心加速度 重力投影為3.2 地球重力 (1) 地球公轉(zhuǎn)： 以近圓軌道繞太陽公轉(zhuǎn)，周期為一年。其近日距離約為1.471億公里，遠(yuǎn)日距離約為1.521億公里。地球運(yùn)動(dòng)：3.2 地球重力 (2) 地球自轉(zhuǎn)： 地球自轉(zhuǎn)軸稱為地軸，其交于地球表面的兩點(diǎn)稱為極點(diǎn)。地球繞地軸自西向東勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。 角速率： 周期： 23h56m4.1s是否需考慮影響？其他運(yùn)動(dòng)？ 當(dāng)將地球視作旋轉(zhuǎn)橢球體時(shí)，表面上任一點(diǎn)的重力垂線即為橢

16、球面上過該點(diǎn)的法線。重力垂線： 離心加速度 定義：地理緯度 B0，地心緯度 定義：卯酉半徑N，卯酉中心M3.2 地球重力 當(dāng)飛行器相對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)時(shí)，大氣會(huì)在其表面形成作用力。3.3 氣動(dòng)力與氣動(dòng)力矩氣動(dòng)力： 氣動(dòng)力難以靠理論計(jì)算確定。由專門的專業(yè)技術(shù)人員，采用理論計(jì)算與氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法。 記總氣動(dòng)力為 分別稱為軸向力X1、法向力Y1、橫向力Z1。 氣動(dòng)力具體計(jì)算公式如下 通常氣動(dòng)力也可分解到速度系中 計(jì)算中X,X1均為正值動(dòng)壓頭q特征面積Sm 阻力X，升力Y，側(cè)力Z3.3 氣動(dòng)力與氣動(dòng)力矩氣動(dòng)力：氣動(dòng)系數(shù)關(guān)聯(lián)參數(shù)？ (1) 阻力系數(shù)零升阻力系數(shù)Cx10，誘導(dǎo)阻力系數(shù)Cxi (2) 升力系數(shù)

17、 (3) 側(cè)力系數(shù)3.3 氣動(dòng)力與氣動(dòng)力矩 軸對(duì)稱體：前提：線性度好 相對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)時(shí)，飛行器的總氣動(dòng)力作用點(diǎn)稱為壓心Ocp。一般情況下，壓心與質(zhì)心Ocg不重合。 氣動(dòng)力相對(duì)質(zhì)心產(chǎn)生力矩，稱為穩(wěn)定力矩Mst，而相對(duì)大氣轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生阻尼作用，稱為阻尼力矩Md。3.3 氣動(dòng)力與氣動(dòng)力矩 (1) 穩(wěn)定力矩：在彈體坐標(biāo)系中描述氣動(dòng)力矩：若飛行器為軸對(duì)稱體，則壓心位于彈體縱軸上，有3.3 氣動(dòng)力與氣動(dòng)力矩線性度較好時(shí)氣動(dòng)力矩系數(shù)可描述為氣動(dòng)力矩： 當(dāng) 時(shí)， ，攻角和側(cè)滑角產(chǎn)生的氣動(dòng)力矩會(huì)使飛行器轉(zhuǎn)動(dòng)，消除攻角和側(cè)滑角，稱飛行器是靜穩(wěn)定的。而相反若 ，則氣動(dòng)力矩會(huì)使飛行器繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，造成攻角和側(cè)滑角增大，此

18、時(shí)稱靜不穩(wěn)定的。 稱 為靜穩(wěn)定裕度。3.3 氣動(dòng)力與氣動(dòng)力矩穩(wěn)定裕度：靜穩(wěn)定飛行器：壓心位于質(zhì)心后方靜不穩(wěn)定飛行器：壓心位于質(zhì)心前方質(zhì)心系數(shù)壓心系數(shù)3251 飛行器的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性可描述為“當(dāng)作用在飛行器上的瞬時(shí)干擾消失后，由干擾引起的運(yùn)動(dòng)參數(shù)增量隨時(shí)間的增加而逐漸衰減”。3.3 氣動(dòng)力與氣動(dòng)力矩穩(wěn)定性： 靜穩(wěn)定性是人為設(shè)想的單自由度的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，僅表示干擾消失瞬間飛行器運(yùn)動(dòng)參數(shù)所具有的變化趨勢(shì)，是與氣動(dòng)力相關(guān)的概念。 實(shí)際飛行過程中，由于狀態(tài)變化，靜穩(wěn)定性會(huì)發(fā)生變化。 稱無控制下的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性為彈體的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，為彈體的固有穩(wěn)定性。 引起附加攻角彈體旋轉(zhuǎn) 阻尼力矩的方向總是與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角

19、速度起阻尼作用。3.3 氣動(dòng)力與氣動(dòng)力矩阻尼力矩： 引起附加力矩?zé)o量綱公式有不同 氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩是由地球大氣產(chǎn)生的，受大氣特性直接影響。 大氣溫度變化是大氣特性的重要影響因素： (1) 對(duì)流層：最低層，主要大氣現(xiàn)象均出現(xiàn)在這一層。 特征：大氣垂直上下對(duì)流(地表溫度高)；氣溫逐漸下降(0.650/100m)3.3 氣動(dòng)力與氣動(dòng)力矩地球大氣： (2) 平流層：可細(xì)分為同溫層和臭氧層。臭氧在太陽輻射下分解釋放熱量，因此臭氧層溫度是逐漸增加的。 (3) 中間層：臭氧濃度下降，溫度逐漸下降。3.3 氣動(dòng)力與氣動(dòng)力矩地球大氣： (4) 熱成層：高度在90500km區(qū)域。溫度急劇升高，可達(dá)1000K左右。

20、對(duì)流層平流層中間層熱成層 實(shí)際大氣參數(shù)變化復(fù)雜，與地理緯度、季節(jié)、晝夜及其他偶然因素有關(guān)。 飛行器彈道計(jì)算時(shí)，只需掌握大氣變化的基本規(guī)律或基本狀態(tài)；在飛行試驗(yàn)中需顧及實(shí)際大氣狀態(tài)，考慮與基本狀態(tài)的差別影響。 兩種方式： 基于理想狀態(tài)的大氣參數(shù) 基于測(cè)量數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)大氣表3.3 氣動(dòng)力與氣動(dòng)力矩標(biāo)準(zhǔn)大氣：自由氣體原理：常用氣體狀態(tài)方程 溫度T分布： 在稠密大氣層內(nèi)用折線近似對(duì)于短時(shí)間飛行的飛行器，一般只考慮到90km左右的大氣影響。 3.3 氣動(dòng)力與氣動(dòng)力矩理想地球大氣： 氣壓p分布： 引入“大氣垂直平衡”假設(shè)：上壓力、下壓力及重力平衡。20km 地面的3 30km 地面的1.150km 地面的0

21、.273.3 氣動(dòng)力與氣動(dòng)力矩理想地球大氣：地勢(shì)高度H 利用氣體狀態(tài)方程 密度分布：20km 地面的7 30km 地面的1.550km 地面的0.0783.3 氣動(dòng)力與氣動(dòng)力矩理想地球大氣：基準(zhǔn)高或標(biāo)高 假設(shè)080km內(nèi)為恒溫過程，則有指數(shù)大氣模型3.3 氣動(dòng)力與氣動(dòng)力矩理想地球大氣：大氣指數(shù)模型 標(biāo)準(zhǔn)大氣以實(shí)際大氣為特征的統(tǒng)計(jì)平均值為基礎(chǔ)，并結(jié)合一定的近似數(shù)值計(jì)算所形成的，反映了大氣狀態(tài)參數(shù)的年平均狀況。 1976年美國(guó)依據(jù)大量的探空火箭和探測(cè)衛(wèi)星資料，制定了美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)大氣，高度擴(kuò)展到1000km。 1980年，基于美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)大氣，我國(guó)發(fā)布了相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)大氣參數(shù)GB1920-80。3.

22、3 氣動(dòng)力與氣動(dòng)力矩標(biāo)準(zhǔn)地球大氣： 數(shù)據(jù)表 擬合公式 地球大氣的運(yùn)動(dòng)就是風(fēng)，常作為飛行器運(yùn)動(dòng)重點(diǎn)考慮的外部干擾之一。描述風(fēng)的物理量是風(fēng)速，為隨機(jī)量，其大小和方向受高度、地點(diǎn)、季節(jié)、氣候等因素影響。 平穩(wěn)風(fēng)：相對(duì)時(shí)間變化很慢的水平風(fēng) 切變風(fēng)：水平風(fēng)，速度隨高度急劇增大，急劇減小 陣 風(fēng)：空氣中的局部擾動(dòng)氣流3.3 氣動(dòng)力與氣動(dòng)力矩大氣運(yùn)動(dòng)：最大或統(tǒng)計(jì)平均水平風(fēng)速隨高度變化的曲線，稱為風(fēng)剖面。NASA發(fā)射場(chǎng)平均風(fēng)速分布武漢地區(qū)平均風(fēng)速分布臺(tái)灣地區(qū)平均風(fēng)速分布3.3 氣動(dòng)力與氣動(dòng)力矩大氣運(yùn)動(dòng)： 飛行器飛行時(shí)，水平風(fēng)作用形成附加的攻角和側(cè)滑角：風(fēng)干擾的影響如下：多重影響疊加3.3 氣動(dòng)力與氣動(dòng)力矩大氣

23、運(yùn)動(dòng)： 發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)質(zhì)，是發(fā)動(dòng)機(jī)排出高速氣體或粒子流所產(chǎn)生的反作用力，即將原有的化學(xué)能、機(jī)械能、原子能等轉(zhuǎn)換為動(dòng)能。 下面以火箭發(fā)動(dòng)機(jī)為例展開討論，其他類型可參照。 發(fā)動(dòng)機(jī)是飛行器獲得速度的唯一來源。不同飛行器安裝不同類型發(fā)動(dòng)機(jī)。常用的有火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)、冷噴發(fā)動(dòng)機(jī)、電推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)等。3.4 推力與推力矩 水平試車狀態(tài)：力平衡。推力包括噴射力及靜推力Pst。 發(fā)動(dòng)機(jī)推力值是十分重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，雖可通過數(shù)值模擬進(jìn)行分析，但最終仍需要進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車。3.4 推力與推力矩火箭發(fā)動(dòng)機(jī)： 相應(yīng)推力描述為 真空推力為 地面推力為有效排氣速度3.4 推力與推力矩火箭發(fā)動(dòng)機(jī)：比推

24、力/比沖： 定義：無限小時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的沖量與消耗的推進(jìn)劑質(zhì)量之比固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)：200350秒液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)：250500秒沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)：20003500秒 從地面到真空，比沖可增加1015%。3.4 推力與推力矩 措施：二次關(guān)機(jī)：預(yù)備關(guān)機(jī)正式關(guān)機(jī) 修正飛行：主機(jī)關(guān)機(jī)游機(jī)關(guān)機(jī) 點(diǎn)火段：開始燃燒，推力急劇增加 后效沖量是隨機(jī)變量，直接影響到導(dǎo)彈精度，對(duì)分離過程也有影響。 穩(wěn)態(tài)段：燃燒穩(wěn)定，推力達(dá)到額定值 推力隨高度增加而增加 關(guān)機(jī)段：發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，推力迅速下降 后效沖量存在推力過程：3.4 推力與推力矩實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)考慮發(fā)動(dòng)機(jī)推力方向的可變性。x1y1z1Py1o1PPx1Pz1ppop當(dāng)推力不過飛行器質(zhì)心時(shí)，會(huì)產(chǎn)生推力矩。推力矩：3.4 推力與推力矩 執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)控制系統(tǒng)要求提供控制力和控制力矩，以改變飛行器運(yùn)動(dòng)。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括燃?xì)舛妗⒖諝舛?、擺動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)、推力矢量控制、RCS（含冷噴系統(tǒng)、固發(fā)組合、液發(fā)）等。 氣流控制方式 推力矢量控制方式 直接推力控制方式 對(duì)于現(xiàn)代導(dǎo)彈和飛機(jī)來說，可以采用多種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的組合，以實(shí)現(xiàn)全飛行域的高效復(fù)合控制。3.4 控制力與控制力矩執(zhí)行機(jī)構(gòu)： (1) 十字型配置引入