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本书详细讲解了运载火箭弹道的基本原理及弹道设计方法，逐步引导读者熟悉制导和姿态控制技术，着重论述了摄动制导、显式制导、组合制导等理论知识，在介绍了运载火箭动态特性研究方法的基础上，对运载火箭飞行器纵（侧）向动态特性进行了深入分析。本书坚持“需求牵引，紧盯主题，循序渐进，层次分明”的编写原则，旨在深入分析运载火箭这一复杂运动系统的特殊矛盾，建立描述其运动的微分方程，揭示运载火箭运动的客观规律，并应用这些规律解决工程实际问题。本书可以作为高校航天、导航与制导、兵器测试与发射专业方向高年级本科及硕士教材，也可作为航天、导航与制导、总体等方向工程技术人员的参考用书。

前言

第1章绪论

11概述

12制导技术

13姿态控制技术

14研究途径

第2章常用坐标系及其转换

21空间点位的天文坐标和大地坐标

211大地水准面与天文坐标

212地球椭球与大地坐标

22大地坐标与地心坐标系的关系

221大地坐标至地心坐标系转换

222地心球坐标及其与大地坐标、地心直角坐标的关系

23坐标系间的转换矩阵

231初等转换矩阵的几何推导

232方向余弦矩阵

233坐标系转换矩阵的欧拉角表示

24发射坐标系和箭体坐标系

241发射坐标系

242箭体坐标系

243箭体坐标系与发射坐标系的关系

244发射坐标系与地心坐标系的关系

25惯性坐标系

251惯性坐标系定义

252惯性坐标系与发射坐标系的关系

253惯性坐标系与箭体坐标系的关系

254惯性系姿态角与发射系姿态角的关系

26速度坐标系

261速度坐标系定义

262速度坐标系与发射坐标系的关系

263速度坐标系与箭体坐标系的关系

27轨迹坐标系

271轨迹坐标系定义

272轨迹坐标系与速度坐标系的关系

273轨迹坐标系与发射坐标系的关系

274轨迹坐标系与箭体坐标系的关系

28北天东坐标系

281北天东坐标系定义

282北天东坐标系与惯性坐标系的关系

283北天东坐标系与发射坐标系的关系

第3章运载火箭运动方程

31变质量力学基本原理

311变质量质点的基本方程

312变质量质点系的质心运动方程和绕质心转动方程

32作用在火箭上的力和力矩

321附加力、附加力矩及发动机特性

322控制力和控制力矩

323地球引力和重力

324空气动力及空气动力矩

33火箭的飞行及弹道分段

331飞行概述

332弹道飞段

34运载火箭主动段运动方程

341运载火箭矢量形式的运动学方程

342发射坐标系中的空间弹道方程的一般形式

343发射坐标系中的空间弹道计算方程

344在速度坐标系中建立的空间弹道方程

35自由段运动方程

351自由飞行段轨道方程

352轨道方程式的讨论

353射程与主动段终点参数的关系

354火箭被动段飞行时间的计算

第4章运载火箭弹道设计

41弹道工程设计方法

411飞行程序的任务和要求

412飞行程序的选择方法

413满足这些特殊要求的实际飞行程序

42主动段弹道飞行程序设计

421状态方程

422共轭方程和横截条件

423控制变量的确定

43真空段弹道设计

431飞行程序选择

432发动机推力程序的设计

第5章弹道摄动制导理论及方法

51摄动法的基本思想

52用摄动法研究扰动因素对载荷落点偏差的影响

521落点偏差概念、生成及表示

522全射程偏导数的计算

53摄动方程的建立

531主动段摄动方程

532箭体结构参数偏差对主动段弹道的影响

533自由飞行段摄动方程的研究

54载荷落点偏差控制的任务及其控制方法

55按速度关机的射程控制方案的研究

551按速度关机时射程偏差的计算公式

552按速度关机的射程偏差与按时间关机的射程偏差的比较

56按火箭纵轴方向视速度关机的射程控制

57满足ΔL=0的补偿关机射程控制方案

58利用共轭方程建立ΔL=0的全补偿关机方程

59横向导引和法向导引

591横向导引

592法向导引

第6章显式制导方法

61显式制导的基本思想

611瞬时位置和速度的计算

612根据瞬时位置和速度产生控制信号，将火箭控制在射面内

613计算射程角

62闭路制导方法研究

621基本假设

622导航计算的递推算法

623当前点位置的球坐标表示

624需要速度的确定

625闭路制导的导引

626闭路制导的关机控制

63地球扁率和再入段空气动力影响的计算和补偿

631地球扁率对被动段弹道影响的计算

632再入段空气动力的影响

64落点偏差的修正

641利用计算所得落点偏差来修正落点坐标

642利用落点偏差修正关机点速度

643根据落点偏差，用脉冲过渡函数计算关机点修正速度

65迭代制导法

651将VK控制到V~K

652将rK控制到r~K、VrK控制到V~rK

第7章运载火箭动态特性的研究方法

71火箭稳定性和操纵性的概念

711稳定性的概念

712操纵性的概念

72火箭扰动运动的研究方法

721用数值积分法解火箭扰动运动方程组

722小扰动法

73火箭运动方程的线性化

731微分方程组线性化的方法

732空气动力和力矩表达式的线性化

733运动方程的线性化

74火箭扰动运动的分组

75固化系数法

第8章运载火箭箭体纵向动态特性分析

81纵向扰动运动的解、特征方程式

82纵向扰动运动特性分析及纵向稳定性条件

821特征方程式的根和其系数间的关系

822纵向干扰运动的特性

823纵向稳定性条件

824特征方程式根的求法

825振荡周期和阻尼度的确定

83扰动运动的典型例子及扰动运动的两种模态

831扰动运动的典型例子

832扰动运动的两种模态

84短周期运动的简化分析

85运载火箭纵向扰动运动分析

851静稳定的火箭

852静不稳定的火箭

853火箭的纵向稳定性分析

86箭体的纵向传递函数及结构图的组成

861箭体的纵向传递函数

862纵向扰动运动的结构图

87箭体纵向传递函数的简化

88舵作阶跃偏转时，纵向动态特性讨论

881法向过载的传递函数

882过渡过程的性能指标和箭体的传递函数

89箭体的对数频率特性

891Δα、Δθ·、Δny的对数频率特性曲线

892Δθ、Δφ的对数频率特性曲线

第9章运载火箭箭体侧向动态特性分析

91侧向扰动运动方程及其简化

911侧向空气动力导数

912侧向扰动运动方程组及其简化

92侧向稳定性分析

921侧向扰动运动方程的解

922侧向扰动运动的三种典型运动

923侧向三种典型运动模态的分析

93侧向稳定性边界的讨论

94箭体的侧向传递函数

941滚动运动的传递函数

942箭体的侧向传递函数

943滚动运动的对数频率特性

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前言

前言

运载火箭是一个很大很复杂的系统，它以发动机为动力，在控制系统作用下，按预定的轨迹飞行，将载荷送至目标点或预定轨道。为了保证运载火箭能完成预定的任务，在研制、试验和实际应用过程中，均须掌握运载火箭的机械运动规律。研究运载火箭运动规律的专门学科为飞行力学，它是应用力学的一个新分支。飞行力学与研究一般力学对象运动规律的理论力学既有区别又有联系。理论力学给出了一般力学对象作机械运动时所遵循的普遍规律和描述其运动的运动微分方程。飞行力学则根据理论力学的普遍规律，深入分析运载火箭这一特定对象作机械运动时的特殊矛盾，建立描述其运动的微分方程，揭示运载火箭运动的客观规律，并应用这些规律解决工程实际问题。由于运载火箭是一个复杂的系统，描述其运动的微分方程组，在战术、技术所要求的精度指标越高时就越复杂。为细致描述其规律，在工程中常将运载火箭运动分为质心运动和绕质心的姿态运动。其中，研究其质心运动的就是弹道学，研究其姿态运动的则称为动态特性分析。按照“需求牵引，紧盯主题，循序渐进，层次分明”的编写原则，本书详细讲解了运载火箭弹道的基本原理及弹道设计方法，逐步引导读者熟悉制导和姿态控制技术，着重论述了摄动制导、显式制导、组合制导等理论知识，在介绍了运载火箭动态特性研究方法的基础上，对运载火箭飞行器纵（侧）向动态特性进行了深入分析。全书共9章。第1章为绪论，简要介绍了飞行力学、制导技术和动态特性分析的基本内容和研究途径。第2章详细论述了弹道和控制理论研究的基础知识和坐标系定义，讨论了坐标系间的转换方法。第3章从变质量力学的基本原理出发，分析了作用在火箭上的外力、外力矩等，建立了发射坐标系和速度坐标系的运动方程组，并讨论了自由段的运动方程。第4章则讨论了运载火箭弹道的工程设计方法、主动段的程序设计方法和弹道在真空段的设计。第5、6章主要讲制导。其中，第5章介绍了摄动制导的基本思想，以及摄动方程的建立和各种关机方案的比较；第6章主要介绍显式制导，重点论述了闭路制导和迭代制导方法等。第7~9章是运载火箭动态特性分析的内容。其中，第7章从稳定性和操纵性的概念出发，讨论了火箭扰动运动的研究方法，并给出了火箭运动方程的线性化；第8章对运载火箭箭体纵向的动态特性进行了研究，给出了纵向稳定的条件、扰动运动的模态等，重点讨论了箭体纵向的传递函数及结构图的组成，分析了箭体纵向的对数频率特性；第9章则对运载火箭侧向的动态特性进行了分析，研究了侧向扰动运动方程、侧向稳定性问题和箭体侧向的传递函数等。本书的编写得到了许多技术人员的无私帮助，在此表示由衷的感谢。参与本书编写工作的还有卢建新、白永强、荆晓荣、张其阳、彭杰、孙琦、樊文平、侯玉国、苗岩松、李飞晟、张正娟、田学敏、孙晨、夏红根、李正旭。特别感谢张林、淳静、李红林、史巍、张强、关卓、蒲凌云、王亮、张正娟等，他们对本书编写工作提供了极大帮助。由于编者的水平所限，书中错误与欠妥之处在所难免，敬请读者批评指正。