《航天飞行器设计》课程简介
2014年06月03日 15:22   审核人:

一、课程基本信息

1、 课程代码:025001310

2、 课程名称(中文):航天飞行器设计  (英文):Aerospace Flight Vehicle Design

3、 学时/学分:56学时/3.5学分

先修课程:空气动力学基础、自动控制原理、航天飞行动力学、

航天推进理论基础、飞行器结构力学。

4、 面向对象:航天类专业本科生。

5、 教材、教学参考书:

教材:

《航天飞行器设计》、谷良贤主编、西北工业大学出版社。

参考书:

1)《导弹总体设计原理》、谷良贤主编、西北工业大学出版社、2004.11。

2)《导弹与航天丛书》、宇航出版社。

3) Missile Design and Systems Engineering. Eugene L. Fleeman. 2012.9.20. ISBN-10:1600869084 ISBN-13:978-1600869082.

4) Spacecraft Systems Design and Operations. James F.peters.2004.7.27.

ISBN-10:0757510000 ISBN-13:978-0757510007.

5) Elements of Spacecraft Design (AIAA Education). 2003.6.15.

ISBN-10:1563475243 ISBN-13:978-1563475245.

二、课程的性质和任务

“航天飞行器设计”是西北工业大学航天学院开设的一门航天类专业技术基础课,是面向航天类专业高年级本科生的一门必修专业基础课,为培养航天工程领域高质量的专门人才服务。

其教学任务是使学生掌握飞行器及航天器总体设计的基本理论、基本知识、设计原理和设计方法,为培养高素质的航天飞行器总体设计人员打下坚实的基础。

三、教学内容和要求

航天飞行器设计课程包括两个部分:飞行器设计和航天器设计。航天飞行器设计讲述航天器、火箭、导弹的分类、组成、设计方法和设计流程。飞行器设计讲述飞行器战技要求,方案选择,主要参数及构形设计,多级运载火箭设计等;航天器设计介绍航天器的空间环境、任务分析与轨道参数设计,分系统原理及设计参数,航天器参数预算及构形设计等。航天飞行器设计覆盖了导弹、航天器及火箭总体、各分系统技术的主要内容,略去了专业学科论述的理论证明及公式推导,突出总体设计必备的关键知识及系统知识。

(一)飞行器设计的教学内容和要求

飞行器设计的教学内容分为七章,对不同章节的教学要求分别叙述如下(数字表示相应章节供参考的学时数)。

第一章 概论(4)

1.火箭和导弹的组成及其分类

2.航天器的组成及其分类

3.航天工程系统及其组成

4.系统工程的概念

5.总体设计的基本方法及设计流程

6.

要求:

掌握导弹、火箭、航天器的分类及其组成;

了解航天工程系统组成及其作用;

了解系统工程的概念及特点;

熟悉航天飞行器总体设计的内容、程序、设计方法;

熟悉航天器设计的特点及设计程序。

第二章 战术技术要求及目标特性(2)

1.战术技术要求

2.目标特性分析

3.发射条件及发射方案分析

要求:

了解战术要求、技术要求及使用维护要求的基本内容;

熟悉各种典型目标的特点,辐射或散射特性等;

明确陆基、空中、舰艇等各种发射平台的发射条件,垂直发射及倾斜发射方式的特点及优缺点。

第三章 飞行器方案选择及分系统参数设计(10)

1.飞行模式设计

2.推进系统方案选择及参数设计 (2)

3.引战系统方案选择及参数设计 (2)

4.控制系统方案选择及参数设计 (2)

5.导引系统方案选择 (2)

6.总体结构方案选择 (2)

要求:

熟练掌握各种导弹任务规划的特点,根据规划的弹道,掌握各不同飞行阶段制导模式选择的方法;

熟练掌握推进系统的组成、分类、工作原理,推进系统的主要设计参数,了解总体对推进系统的设计要求;

熟练掌握引战系统的组成、分类、工作原理,引战系统的主要设计参数,了解总体对引战系统的设计要求;

熟练掌握控制系统的组成、分类、工作原理,控制系统的主要设计参数;

熟练掌握导引系统的组成、分类、工作原理,导引系统的选择分析方法,了解总体对导引系统的设计要求;

熟练掌握总体结构方案的类型、特点,总体结构方案的选择分析方法。

第四章 主要参数设计(4)

1.导弹质量方程式的建立 (2)

2.导弹相对量运动微分方程的建立

3.导弹的主要设计参数 (2)

要求:

熟悉固体火箭导弹的质量方程,液体火箭导弹的质量方程;

熟练掌握导弹相对量运动微分方程的推导方法;

学会导弹推重比、翼载、速度等主要设计参数的确定方法。

第五章 导弹构型设计(8)

1.概述

2.导弹气动布局 (4)

3.导弹外形几何参数设计 (2)

4.部位安排与质心定位设计 (2)

要求:

熟悉构型设计的要求,导弹气动外形设计的流程等;

熟练掌握导弹各种气动布局的特点及其特性,熟练掌握气动布局选择及确定的方法;

掌握导弹外形几何参数选择及确定的方法;

了解部位安排的原则及约束条件,掌握质心定位计算的方法。

第六章 多级运载火箭设计(4)

1.运载火箭的概念

2.运载火箭的主要技术指标

3.总体方案设计 (2)

4.火箭的主要设计参数 (2)

要求:

掌握运载火箭的飞行原理、火箭的理想速度和宇宙速度;

熟悉运载火箭的主要技术指标;

掌握火箭总体方案设计的方法,包括火箭的型式、火箭级数、有效载荷方案、分系统方案等;

学会运载火箭主要设计参数、运载能力的确定方法。

第七章 导弹性能分析(4)

1.精度计算与分析 (2)

2.杀伤概率计算与分析 (2)

3.杀伤区及攻击区

要求:

熟练掌握导弹制导误差的分布规律及表示方法,制导精度的计算方法;

熟练掌握杀伤概率计算及分析方法;

了解杀伤区及攻击区的概念。

(二)航天器设计的教学内容和要求

第八章 航天器空间物理环境(2)

1.近地空间环境

2.空间环境效应

3.运载火箭的力学环境

4.航天器设计的特殊要求

要求:

了解近地空间环境的基本概念,包括真空环境、太阳辐射环境、地球磁场环境、地球引力场环境、粒子辐射环境、微流星与空间碎片环境等;

了解空间环境效应对航天器造成的影响及其采取的相应对策;

了解航天器所受到的运载火箭力学环境及其对航天器分系统的影响;

了解航天器设计的特殊要求。

第九章 任务分析与轨道设计(4)

1.任务分析

2.航天器几种常用的轨道 (2)3.航天器轨道设计 (2)

要求:

了解航天器的任务要求,使用的技术指标,熟练掌握任务分析的方法;

熟悉航天器的几种常用轨道,包括地球静止轨道、太阳同步轨道、回归轨道等;

熟练掌握轨道设计的方法,包括轨道参数的选择、航天器对地面的覆盖、太阳角计算、发射窗口计算等。

第十章 分系统选择及设计(6)

1.有效载荷

2.控制分系统

3.推进分系统

4.电源分系统

5.热控分系统

6.测控和数据管理分系统

7.生命保障分系统

要求:

熟练掌握有效载荷的组成及分类、工作原理,有效载荷的选择分析方法;

熟练掌握姿态控制与轨道控制的概念、原理,姿轨控系统的选择分析方法;

熟练掌握推进系统的组成及分类、工作原理,推进系统的选择分析方法;

掌握空间电源系统的组成及分类、工作原理,电源系统的选择分析方法;

熟练掌握热控系统的组成及分类、工作原理,热控系统的选择分析方法;

掌握测控和数据管理分系统的概念、特点,基本原理等;

了解生命保障分系统的概念及原理。

第十一章 航天器参数初步设计(4)

1.推进剂预算

2.质量预算

3.负载功率预算

4.寿命指标分配

5.可靠性指标分配

6.精度指标分配

7.其他参数分配

要求:

熟悉与推进剂预算有关的技术问题,包括轨道机动速度分析、发动机点火工作时间和次数分析、静止轨道航天器摄动等;

掌握质量计算的内容及方法;

掌握负载功率分析的一般方法及负载功率计算的内容;

掌握寿命指标和可靠性指标分配的方法;

了解各种误差源,掌握精度指标分配的原则和方法;

掌握其他参数分配的方法。

第十二章 航天器构形设计(4)

1.任务和要求

2.外形设计

3.外伸部件布局设计

4.主承力构件方案设计

5.内部仪器设备总体布局

6.其他设计

要求:

了解构形设计的任务和基本要求;

熟练掌握航天器外形设计的方法;

熟练掌握航天器外伸部件布局设计的原则和设计方法;

熟练掌握主承力构件的设计方法;

了解内部仪器设备布局的要求及基本原则;

了解航天器安装测量基准以及吊装、运输设计的方法。

四、实践性教学环节

本课程结束后,针对飞行器设计与工程专业本科生,安排2~3周的“航天飞行器设计”课程设计环节,主要使学生加深对航天飞行器设计方法的理解并能够较熟练地应用,培养学生解决实际问题的能力。

五、各教学环节学时分配

教学内容

讲课

习题课

小计

第一章

4

4

第二章

2

2

第三章

10

10

第四章

4

4

第五章

8

8

第六章

4

4

第七章

4

4

第八章

2

2

第九章

4

4

第十章

6

6

第十一章

4

4

第十二章

4

4

合计

56

56

六、对学生能力培养的要求

本课程是面向航天类专业高年级本科生的一门必修专业基础课。要求在理解有关飞行器总体设计和航天器总体设计的基本概念,掌握航天飞行器设计原理的基础上,能够灵活运用航天飞行器设计的方法,进行航天飞行器方案选择,主要参数设计等工作。

学习飞行器设计的特点、任务及程序,掌握飞行器方案选择、主要参数及分系统设计和构形设计的方法,为今后从事飞行器设计的工作打下基础。

通过对航天器设计理论的学习,认识航天器所处的近地空间环境及其设计的特殊性;掌握航天器任务分析与轨道设计、总体参数预算及构形设计的方法,为今后从事航天器设计的工作打下基础。

通过本课程学习,做到各章概念能够融会贯通,能够灵活运用本课程知识以及空气动力学、飞行力学、控制理论等知识,针对具体的设计对象,能够建立起总体设计的基本概念和框架,提出解决实际问题的方案并对其分析解决。

通过课程设计环节,加深对航天飞行器总体设计概念及方法的理解,初步掌握构形及布局设计或燃料质量的计算方法,掌握运用C语言或Matlab等工具进行气动特性分析或杀伤概率分析的基本技能。为解决实际工程问题奠定基础。

撰写人:谷良贤 制定日期:2013.6.15

审定人: 审定日期:

学院审查意见: 主管院长:

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