《航天飞行动力学》课程简介
June 3, 2014  

一、课程基本信息

1、 课程代码:024000110

2、 课程名称(中文):航天飞行动力学 (英文):Aerospace Flight Dynamics

3、 学时/学分:56学时/3.5学分

先修课程:理论力学、空气与气体动力学基础、自动控制原理等。

面向对象:航天类专业高年级本科生

4、 开课院(系):航天学院

5、 教材、教学参考书:

《空天飞行动力学》,方群,李新国等,西北工业大学出版社,2014.8

《有翼导弹飞行动力学》,李新国,方群,西北工业大学出版社,2005.4

《远程火箭与卫星轨道力学基础》,王志刚,国防工业出版社,2006.10

《航天器飞行动力学原理》,肖业伦,宇航出版社,1995.12

《Orbital Mechanics》,Howard D. Curtis,Fourth edition 2009,Reprinted 2010(twice),2011,2012

二、课程的性质和任务

“航天飞行动力学”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技术基础课,为培养航天工程领域高质量的专门人才服务。

航天飞行动力学主要是研究与飞行器质心运动有关的飞行器飞行性能问题,以及与绕质心旋转运动有关的飞行器稳定性和操纵性问题,是从事航天器设计、分析和应用等不可缺少的理论基础。课程所涉及到的知识内容、原理和方法、技术和手段是各类航天飞行器总体设计、气动外形设计、控制系统设计、动力系统设计以及效能分析的重要基础。其教学任务是使学生掌握航天飞行动力学的相关基础知识和基本理论与方法,并能够在考虑气动特性、控制系统特性、推进系统特性、结构特性和环境特性条件下对飞行规律进行准确分析和设计。

三、教学内容和要求

《航天飞行动力学》课程教学内容分为七章,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)。

第一部分绪论(1)

1. 概述

2. 飞行动力学的发展

3. 飞行动力学的作用及地位

要求:

了解飞行动力学要研究和解决的问题,以及其在飞行器设计中的重要作用和地位;

了解飞行动力学的发展过程;

了解飞行动力学与其它相关学科的关系。

第二部分战术导弹飞行动力学(13)

1. 导弹飞行的力学分析(3)

气动力

气动力矩

推力

重力

2. 坐标系定义和坐标变换(3)

坐标系定义

坐标变换

角度几何关系

3. 导弹六自由度运动模型(3)

导弹运动建模理论基础

导弹质心运动的动力学/运动学方程

导弹绕质心转动的动力学/运动学方程

导弹操纵关系式

4. 导弹运动模型的简化(1)

导弹的纵向运动和侧向运动

导弹的平面运动

导弹的质心运动

5. 过载(1)

过载的概念

过载与运动

过载与结构设计

6. 方案飞行弹道(1)

方案飞行概述

典型飞行方案

方案飞行应用实例

7. 导引飞行弹道(1)

导引飞行综述

导引方法

导引飞行的发展

要求:

明确压力中心和焦点的概念以及两者的区别和联系;掌握气动力(升力、阻力和侧力)、气动力矩(俯仰力矩、偏航力矩、滚转力矩)的计算方法;了解气动力矩与操纵力矩、阻尼力矩、下洗延迟力矩之间的关系以及交叉导数、铰链力矩概念;重点理解定常飞行、纵向静平衡、纵向静稳定性概念;掌握推力、重力的简化计算方法。

明确4个坐标系(地面坐标系、弹道坐标系、速度坐标系、弹体坐标系)和8个角度(弹道倾角、弹道偏角、速度滚转角、攻角、侧滑角、俯仰角、偏航角、滚转角)的定义;掌握坐标系之间的变换方法、初等变换矩阵和6种坐标变换关系和3个角度几何关系式。

了解导弹运动建模的基本定理和简化处理方法(凝固假设、刚化原理);重点掌握导弹质心运动的动力学/运动学方程、导弹绕质心转动的动力学/运动学方程的建模方法;理解导弹操纵飞行原理、操纵关系方程、理想操纵关系式,轴对称/面对称飞行器操纵的特点。

理解导弹运动模型简化的意义与应用范围,掌握导弹运动模型的简化与分解方法;灵活运用导弹的纵向运动和侧向运动、导弹在铅垂平面内的运动、导弹在水平面内的运动模型;了解导弹的质心运动,理想弹道、理论弹道和实际弹道的概念。

掌握过载的概念与意义;理解过载投影与机动性、导弹运动的关系;了解转弯速率、使用过载、可用过载和极限过载概念,以及过载和结构设计的关系。

了解方案飞行、方案弹道、飞行方案的概念;掌握铅垂平面内典型飞行方案(给定弹道倾角、俯仰角、攻角、法向过载、高度方案)以及实现问题;了解水平面内的典型飞行方案(给定弹道偏角、给定侧滑角、给定偏航角、给定法向过载);了解方案飞行应用实例:地空导弹的垂直上升段方案飞行、中远程空地导弹的下滑段方案飞行、巡航导弹的爬升段方案飞行、飞航导弹的平飞段方案飞行等。

了解导引飞行的特点、应用范围、自动瞄准、遥控的优缺点;掌握导引方法——追踪法、平行接近法、比例导引法、三点法、(半)前置量法的定义和特点;掌握导引弹道的研究方法、相对运动方程的建立方法、导引弹道的解算方法;重点掌握比例导引法及其应用;了解导引飞行的发展:复合导引、现代制导方法。

第三部分 飞行动态特性分析(10)

1.动态特性分析的基本概念(2)

2.导弹运动方程组线性化(2)

3.导弹纵向自由扰动运动特性分析(2)

4.导弹纵向扰动运动传递函数(1)

5.导弹纵向扰动运动操纵性分析(1)

6.导弹横侧向运动的动态特性(2)

7. 纵向扰动运动自动稳定与控制(自学)

要求:

掌握有关导弹动态特性分析的基本概念,导弹运动方程组线性化的条件和步骤以及特征点的选择;

掌握导弹扰动运动长短周期运动特点及物理成因;

完成传递函数的推导和分析方法;

理解导弹横侧向运动的动态特性分析方法;

了解自动稳定与控制的基本方法。

第四部分远程火箭飞行动力学(14)

教学内容主要有常用的坐标系、变质量力学原理、火箭的力学环境、火箭的运动方程、火箭的主动段的运动、火箭载荷自由飞行段的运动和再入段运动等部分,共7节。课时共需14学时。详细内容、课时分配与要求如下:

1. 常用坐标系(1)

常用坐标系及其变换

坐标系间矢量导数的关系

2. 变质量力学原理(2)

变质量质点运动的力学原理

变质量质点系运动的力学原理

3.火箭的力学分析(1)

附加力与附加力矩

推力

引力与重力

气动力与气动力矩

控制力和控制力矩

4.火箭的运动方程(2)

矢量形式的动力学方程

地面发射坐标系中的弹道方程

地面发射坐标系中的弹道计算方程

速度坐标系中的弹道方程

5. 火箭主动段的运动(4)

主动飞行段的运动方程

多级运载火箭的轨迹设计

程序飞行原理与设计

6. 火箭载荷自由飞行段的运动(2)

自由飞行段的轨道方程

轨道方程参数

圆锥截线形状与主动段终点参数的关系

椭圆的几何参数与主动段终点参数的关系

成为人造卫星或导弹的条件

7. 再入段运动(2)

再入段运动方程

零攻角再入时运动参数的近似计算

有升力再入弹道

要求:

掌握的基本概念:各常用坐标系的定义、重力、比冲(比推力)、过载、第一宇宙速度(环绕速度)、第二宇宙速度(逃逸速度)、双曲线剩余速度、总攻角、总升力、总攻角平面、弹道再入(零攻角再入、零升力再入)、杀伤区、再入走廊、配平攻角。

掌握的基本原理和假设:直接反作用原理、刚化原理(关于变质量物体质心运动方程和绕质心转动方程的描述)、瞬时平衡假设。

熟悉的基本问题、规律和特性: 1、变质量系统在运动时受那些力和力矩作用?写出各自的计算公式。 2、火箭有哪些类型? 3、火箭姿态控制系统的功能、组成?并画出控制系统原理框图、写出控制方程。 4、火箭产生控制力和控制力矩的方式有那些? 5、地面发射坐标系中一般空间弹道方程是怎么推出来的,由那几类方程组成,各有几个方程?6、在什么条件下,一般空间弹道方程可以分解成纵向运动方程和侧向运动方程?7、研究自由飞行段的运动时,常作哪些基本假设?8、自由飞行段的运动有那些基本特征、轨迹是什么形状、特征参数有哪些、特征参数与主动段终点参数有什么关系?9、成为人造卫星和导弹的条件是什么?10、再入段的运动有什么特点?11、再入有哪些类型?各有什么特点?12、再入段设计分析分析中主要考虑的因素有哪些?如何确定?13、航天器再入轨道有哪些类型,各有什么特点?14、再入航天器有哪些类型,各有什么特点?

能熟练推导的基本方程:变质量质点基本方程(密歇尔斯基方程)、齐奥尔柯夫斯基公式(理想速度与质量变化的关系)、变质量质点系的质心运动方程和绕质心转动方程、火箭自由段运动的基本方程。

第五部分 航天器飞行动力学(12)

了解航天器飞行环境特性,掌握二体理论,了解及摄动理论,掌握航天器常用轨道的特性,了解轨道机动方式,掌握姿态动力学建模方法,了解航天器姿态稳定方法。

1. 航天器的飞行环境(1)

地球引力场环境特性

大气阻力特性

空间磁场特性

太阳辐照特性

2. 航天器的轨道(3)

轨道六要素

航天器的运动参数与轨道六要素的转化

惯性坐标系中的运动方程

角动量和轨道方程

中心引力场中的轨道(包括圆、椭圆、抛物线、双曲线等)

地球静止轨道与太阳同步轨道

3. 航天器轨道摄动(1)

轨道摄动原理

轨道摄动方程

地球卫星的摄动分析

4. 航天器轨道机动(2)

轨道机动的分类

霍曼转移机动

Lambert机动

连续推力轨道机动

5. 航天器姿态运动(5)

常用坐标系及其变换

航天器姿态运动方程

刚体航天器姿态动力学的基本方程

四元数

无外力矩的自由运动及其稳定性

重力梯度稳定

单自旋航天器

双自旋航天器

三轴稳定航天器

要求:

二体轨道及其特性、霍曼转移、姿态动力学建模是本章的重点。

了解航天器飞行的环境作用力及其特性;

掌握航天器轨道方程的推导过程和几个性质;

掌握轨道六要素的定义;

了解轨道六要素与运动参数之间的转换方法;

掌握地球静止轨道与太阳同步轨道的定义及特点;

了解轨道摄动的原因和轨道摄动模型,明晰J2项摄动对轨道运动的影响;

熟练掌握霍曼转移;

掌握Lambert机动原理;

掌握应用四元数法描述飞行器姿态的方法;

熟练掌握刚体航天器姿态动力学的基本方程;

了解重力梯度稳定的概念和原理;

了解单自旋、双自旋航天器、三轴稳定航天器的概念和特点。

第六部分航天飞行动力学前沿问题(4)

1. 飞行动力学的问题和发展(0.5) 2. 计算飞行动力学(0.5)

3. 弹性飞行动力学建模理论和方法(0.5)

4. 临近空间飞行动力学(2)

要求:

了解影响临近空间力学环境的主要因素(包括空间环境因素、空间环境效应分析、空间环境中的扰动因素)及其对临近空间飞行器动力学特性的影响;

了解临近空间大气参数建模与分析、风场建模与分析、地球模型及引力场建模与分析的方法;

了解临近空间飞行器运动建模的方法(包括坐标系及其定义、运动模型的主要特性);

了解临近空间飞行器轨道优化设计的思路及方法(包括轨道优化设计任务要求、目标函数、性能指标、约束条件、建模方法、优化算法设计等)。

了解现代飞行力学发展的方向,了解计算飞行力学的方法,了解弹性飞行力学建模原理和一体化建模理论和方法。

四、实验(上机)内容和基本要求

本课程配有实验、上机和课程设计的教学安排,要求学生结合本专业的特点和所研究的课题,选择部分对象建模并上机实现。前提是要求学生掌握至少一门计算机编程语言,进行编程和仿真。

五、各教学环节学时分配

讲课

习题课

讨论课

实验课

其他

合计

第一章

1

1

第二章

12

1

13

第三章

8

2

10

第四章

14

14

第五章

14

14

第六章

3

1

4

总计

52

4

56

六、对学生能力培养的要求

《航天飞行动力学》是为航天类专业高年级本科生开设的一门必修的专业技术基础课。通过课程的学习,明确解决飞行器动力学问题在飞行器设计中的重要作用,及其与各类航天飞行器总体设计、气动外形设计、控制系统设计、动力系统设计以及效能分析不可分割、融会贯通的关系;掌握航天飞行器动力学模型、运动模型的建模方法,以及轨道和姿态特性的分析方法,并在此基础上能够对轨道和姿态特性进行初步分析;同时能够将飞行动力学的相关知识、原理和方法融会贯通到自己的专业方向中,具有遇到问题时能够从比较开阔的、跨学科的视角去思考和解决问题的能力;了解航天飞行动力学新的发展方向和出现的新课题,为进一步专业课程的学习和实践奠定专业技术基础。

七、其他说明

课程教学网站

精品课:http://jpkc.nwpu.edu.cn/jp2005/04/Main.htm

http://jpkc.nwpu.edu.cn/jp2011/04/

八、考核方法

闭卷考试(统一命题,统一考试,统一阅卷)。

考试成绩除笔试外,还包括平时作业和测验成绩。

撰写人: 方群等 制定日期:2013年 6月30日

审定人:

审定日期: 年 月 日

学院审查意见: 主管院长:

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