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航空航天技术概论(第2版)
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航空航天技术概论(第2版)
航空航天技术概论(第2版)
基本信息?出版社：北京航空航天大学出版社 ?页码：284 页 ?出版日期：2008年08月 ?ISBN：/1 ?条形码：1 ?版本：第2版 ?装帧：平装 ?开本：16 ?正文语种：中文 内容简介 航空航天技术是当代发展最为迅速的技术，是一个国家技术先进水平的标志和综合国力的体现。本书以飞行器（航空器和航天器）为中心，阐述了航空航天领域所涉及的基本知识、基本原理和发展概况，并尽量反映航空航天技术发展的最新成果和发展动态。全书共分为6章，分别介绍了航空航天发展概况、飞行原理、动力系统、机载设备、飞行器构造以及地面设施和保障系统等方面的基本内容。书中内容力求浅显易懂，并侧重于基本概念、基本原理的阐述，是航空航天院校低年级学生的入门。 本书为航空航天专业高校的基础，供低年级各类专业的学生使用，也可供从事相关专业的人员参考。 目录 第1章 航空航天发展概况1.1 航空航天的基本概念1.1.1 航空1.1.2 航天1.1.3 航空与航天的联系1.2 飞行器的分类、构成与功用1.2.1 航空器1.2.2 航天器1.2.3 火箭和导弹1.3 航空航天发展概况1.3.1 航空器发展概况1.3.2 航天器发展概况1.3.3 火箭和导弹发展概况1.3.4 航空航天在国防和经济建设中的地位与作用1.4 我国的航空航天工业1.4.1 我国的航空工业1.4.2 我国的航天工业1.5 航空航天技术现状及未来发展趋势1.5.1 航空航天技术现状1.5.2 航空航天技术的未来发展趋势思考题第2章 飞行环境及飞行原理2．1 飞行环境2.1.1 大气环境2.1.2 空间环境2.1.3 国际标准大气2.1.4 大气的物理性质2.2 流动气体的基本规律2.2.1 相对运动原理2.2.2 流体流动的连续性定理2.2.3 伯努利定理2.2.4 低速气流的流动特点2.2.5 高速气流的流动特点2.3 飞机上的空气动力作用及原理2.3.1 平板上的空气动力2.3.2 机翼升力的产生和增升装置2.3.3 飞机阻力的产生及减阻措施2.3.4 风洞的功用和典型构造2.4 高速飞行的特点2.4.1 激波和波阻2.4.2 临界马赫数和局部激波2.4.3 超声速飞行的空气动力外形及其特点2.4.4 超声速飞机和低、亚声速飞机的外形区别2.4.5 超声速飞行的“声爆”与“热障”2.5 飞机的飞行性能及稳定性和操纵性2.5.1 飞机的飞行性能 2.5.2 飞机的机动性2.5.3 飞机的稳定性2.5.4 飞机的操纵性2.6 直升机的飞行原理2.6.1 直升机旋翼的工作原理2.6.2 直升机的布局特点2.6.3 直升机飞行性能2.6.4 直升机的操纵性和稳定性2.7 航天器飞行原理2.7.1 开普勒（Kepler）三大定律2.7.2 航天器的轨道方程与宇宙速度2.7.3 轨道要素和卫星轨道2.7.4 轨道摄动和轨道机动2.7.5 航天器发射入轨2.7.6 环月登月轨道和星际航行轨道2.7.7 航天器姿态稳定与控制思考题第3章 飞行器动力系统3.1 发动机的分类及特点3.2 活塞式航空发动机3.2.1 活塞式发动机的主要组成3.2.2 活塞式发动机的工作原理3.2.3 活塞式发动机的辅助系统 3.2.4 航空活塞式发动机主要性能指标3.3 空气喷气发动机3.3.1 空气喷气发动机的主要性能参数3.3.2 燃气涡轮发动机3.3.3 冲压喷气发动机3.3.4 涡轮喷气发动机的工作状态3.4 火箭发动机3.4.1 火箭发动机的主要性能参数3.4.2 液体火箭发动机3.4.3 固体火箭发动机3.4.4 固液混合火箭发动机 3.5 组合发动机3.5.1 火箭发动机与冲压发动机组合3.5.2 涡轮喷气发动机与冲压发动机组合3.5.3 火箭发动机与涡轮喷气发动机组合3.6 非常规推进系统3.6.1 电推进系统3.6.2 核推进系统3.6.3 太阳能推进系统思考题第4章 飞行器机载设备4.1 传感器、飞行器仪表与显示系统4.1.1 飞行器参数测量的基本方法4.1.2 主要飞行状态参数的测量4.1.3 大气数据系统4.1.4 飞行姿态角度的测量4.1.5 飞行器显示系统4.2 飞行器导航系统4.2.1 无线电导航系统4.2.2 惯性导航系统4.2.3 卫星导航系统4.2.4 图像匹配导航系统4.2.5 天文导航系统4.2.6 组合导航技术4.3 飞行器飞行控制系统4.3.1 飞行器飞行操纵系统4.3.2 飞行器自动控制系统4.4 其他机载设备4.4.1 雷达设备4.4.2 近地警告系统4.4.3 防护和救生系统思考题第5章 飞行器的构造5.1 对飞行器结构的一般要求和常用的结构材料5.1.1 对飞行器结构的一般要求5.1.2 飞行器结构采用的主要材料5.2 航空器的构造5.2.1 气球和飞艇的基本构造5.2.2 飞机的基本构造5.3 航天器的构造5.3.1 卫星的基本结构5.3.2 载人飞船的基本构造5.3.3 航天飞机的基本构造5.3.4 空天飞机的组成和飞行方式5.3.5 空间站功用和组成5.4 火箭和导弹的构造5.4.1 火箭的基本构造5.4.2 导弹的基本构造思考题第6章 地面设施和保障系统6.1 飞机地面设施与保障系统6.1.1 机场6.1.2 自动着陆系统6.1.3 空中交通管理6.2 航天器地面设施与保障系统6.2.1 航天发射场6.2.2 航天器回收区和着陆场6.2.3 航天测控网6.2.4 发射窗口6.3 导弹发射装置和地面设备6.3.1 战略弹道导弹的发射方式6.3.2 陆基战略导弹发射装置和地面设备6.3.3 海基战略弹道导弹的发射装置思考题参考文献…… 序言 航空航天技术是高度综合的现代科学技术，是一个国家科技先进水平的重要标志。它综合运用了基础科学和应用科学的最新成就和工程技术的最新成果，是20世纪以来发展最为迅速、应用最为广泛、对人类社会生活影响最大的科学技术领域之一。 本书首先介绍了航空航天技术的发展概况，以期让读者首先对航空航天的发展历程和最新成果有一个全面的了解。在此基础上，分别对飞行器飞行原理、动力系统、机载设备、构造以及地面设施和保障系统等方面的基本知识、基本原理进行了介绍。书中内容力求浅显易懂，并侧重于基本概念、基本原理的阐述，适合于各个专业的学生阅读。 由于航空航天技术发展很快，为了保证教材的先进性和时代性，本书在2005年9月第1版的基础上，推陈出新，删繁就简，更新了航空航天技术发展过程中已过时的数据，补充了近几年国内外航空航天发展的最新技术和最新成果以及当代航空航天技术的典型案例，内容更加丰富翔实、通俗易懂。同时本着精益求精，不断完善的原则，根据几年来教材在教学实践中的使用情况，对原版中个别不当之处进行了修正。 本书第2版由谢础和贾玉红任主编，第1章和第6章由黄俊编写，第2章和第3章由贾玉红编写，第4章和第5章由吴永康编写，全书由贾玉红统稿。本书涉及面很广，几乎囊括了所有广泛应用的现代飞行器。本书编写过程中，参考了大量国内外文献资料和兄弟院校的有关教材，在此谨对原作者深表感谢。 本书涉及科学技术的很多领域，鉴于编者的水平有限，难免有不当之处，恳请读者予以批评指正。 文摘 　　1.1.2　航天　　航天是指载人或不载人的航天器在地球大气层之外的航行活动，又称空间飞行或宇宙航行。航天的实现必须使航天器克服或摆脱地球的引力，如想飞出太阳系，还要摆脱太阳引力。从地球表面发射的飞行器，环绕地球，脱离地球和飞出太阳系所需要的最小速度，分别称为第一、第二和第三宇宙速度，是航天所需的三个特征速度。我国著名科学家钱学森认为人类飞行活动可以分为三个阶段，即航空、航天和航宇。他认为航空是在大气层中活动，航天是飞出地球大气层在太阳系内活动，而航宇则是飞出太阳系到广袤无垠的宇宙中去航行。　　遨游宇宙是人类在征服自然的过程中产生的愿望。20世纪40年代初期，大型液体火箭的成功发射奠定了现代航天技术的基础。约二十年后，苏联航天员加加林乘“东方”1号飞船进入太空，人类终于实现了遨游太空的伟大理想。火箭推进技术是航天技术的核心。　　航天实际上也有军用和民用之分，但世界各国在宣传自己的航天工业时都主要强调其商业或民用潜力。　　占领和控制近地宇宙空间已经成为西方军事大国争夺军事优势的新焦点。在美国、俄罗斯等国已发射的航天器中，具有军事用途的超过70％。用于军事目的的航天器可分为三类：军用卫星系统、反卫星系统和军事载人航天系统。军用卫星主要分通讯卫星、气象卫星和侦察（间谍）卫星三种。反卫星系统包括反卫星卫星、定向能武器和动能武器。激光武器、粒子束武器和射频武器等属于定向能武器；动能导弹、电磁炮和电热弹等属于动能武器的范畴。军事载人航天系统分为空间站、飞船和航天飞机、空天飞机等，空间站可用作空间侦察与监视平台、空间武器试验基地、天基国家指挥所、未来天军作战基地等。　　航天的民用潜力也是非常巨大的。空间物理探测、空间天文探测、卫星气象观测、卫星海洋观测、卫星广播通讯、卫星导航、遥感考古、太空旅游和地外生命探索等都是航天的重要应用领域；微重力环境下完成的各种化学、物理和生物实验成果是航天为人类文明与进步所做的直接贡献。　　1.1.3　航空与航天的联系　　航天不同于航空，航天器是在极高的真空宇宙空间以类似于自然天体的运动规律飞行。但航天器的发射和回收都要经过大气层，这就使航空航天之间产生了必然的联系。尤其是水平降落的航天飞机和研究中的水平起降的空天飞机，它们的起飞和着陆过程和飞机非常相似，兼有航空与航天的特点。航空航天一词，既蕴藏了进行航空航天活动必需的科学，又包含了研……
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关于的文章航天器开普勒轨道和非开普勒轨道的定义、分类及控制--《空间控制技术与应用》2009年04期
航天器开普勒轨道和非开普勒轨道的定义、分类及控制
【摘要】：给出了航天器开普勒轨道(KO)和非开普勒轨道(NKO)的来源、定义、分类和特点,阐明了KO和NKO之间的关系,介绍了相关的轨道控制与轨道确定、制导与导航的涵义.
【作者单位】：
【关键词】：
【分类号】：V412.41【正文快照】：
人类科学认识天体运动是从哥白尼()开始的,开普勒()根据前人的天文观测资料总结出了行星绕太阳运动的三大定律,被后人称为开普勒三定律.开普勒和伽利略()之后,牛顿()提出了万有引力定律和物体运动的三大定律(后人称之为牛顿三定律),
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航天器轨道计算
航天器轨道要素与空间位置关系一、实验目的1.了解航天器轨道六要素与空间位置的关系。2.掌握航天器轨道要素的含义。二、实验设备安装有Matlab的计算机。三、实验内容1．实验原理航天器的六个轨道要素用于描述航天器的轨道特性，有明显的几何意义。它们决定轨道的大小、形状和空间的方位，同时给出航天器运动的起始点。这六个轨道要素分别是：①轨道半长轴(a)：它的长度是椭圆长轴的一半，可用公里或地球赤道半径或天文单位为单位。根据开普勒第三定律，半长轴与运行周期之间有确定的换算关系。②轨道偏心率(e):为椭圆两焦点之间的距离与长轴的比值。偏心率为0时轨道是圆;偏心率在0～1之间时轨道是椭圆,这个值越大椭圆越扁；偏心率等于1时轨道是抛物线;偏心率大于1时轨道是双曲线。抛物线的半长轴是无穷大,双曲线的半长轴小于零。③轨道倾角(i)：轨道平面与地球赤道平面的夹角，用地轴的北极方向与轨道平面的正法线方向之间的夹角度量，轨道倾角的值从0°～180°。倾角小于90°为顺行轨道，卫星总是从西(西南或西北)向东(东北或东南)运行。倾角大于90°为逆行轨道，卫星的运行方向与顺行轨道相反。倾角等于90°为极轨道。④升交点赤经(Ω):它是一个角度量。轨道平面与地球赤道有两个交点，卫星从南半球穿过赤道到北半球的运行弧段称为升段，这时穿过赤道的那一点为升交点。相反，卫星从北半球到南半球的运行弧段称为降段，相应的赤道上的交点为降交点。在地球绕太阳的公转中，太阳从南半球到北半球时穿过赤道的点称为春分点。春分点和升交点对地心的张角为升交点赤经,并规定从春分点逆时针量到升交点。轨道倾角和升交点赤经共同决定轨道平面在空间的方位。
⑤近地点幅角 (ω)：它是近地点与升交点对地心的张角，沿着卫星运动方向从升交点量到近地点。近地点幅角决定椭圆轨道在轨道平面里的方位。⑥真近点角(f )：卫星相对于椭圆长轴的极角。图1为轨道的空间关系；图2为轨道平面内的椭圆轨道要素。
图1轨道的空间关系yofxo
图2轨道平面内的椭圆轨道要素根据航天器的轨道六要素，可以算出航天器任意时刻在空间中的位置。 下面推导航天器的轨道六要素与空间位置间的转换关系。不失一般性，假设这里的空间位置为航天器在地心赤道惯性坐标系中的坐标值。定义地心赤道惯性
坐标系OXYZ：坐标原点O为地球中心，X轴沿赤道面和黄道面的交线，指向春分点；Z轴垂直于赤道面，与地球自转角速度矢量一致；Y轴在赤道面内与X轴垂直，且OXYZ构成右手直角坐标系，如图1所示。首先，定义地心轨道坐标系Oxoyozo，如图2所示，zo轴由右手正交定则确定。在地心轨道坐标系中，卫星的位置坐标为xo?rcosfyo?rsinf
zo?0其中r为航天器与中心引力体的距离，a(e2?1)
（2） r?1?ecosf地心轨道坐标系Oxoyozo与赤道惯性坐标系OXYZ之间的转换关系是这样的：先将地心轨道坐标系绕矢量zo轴转角（-ω）；再绕节线ON转角(?i) ；最后绕Z轴转角(??)，经过这样三次旋转后，地心轨道坐标系和赤道惯性坐标系重合。 应用坐标转换公式导出航天器在赤道惯性坐标系中的坐标为?x??xo???R(??)R(?i)R(??)?y??
?zxz???o????z???zo??sco?s?sin?coissin??sin?co?s?co?scoissin?sinisin???rcosf??co??co???rsinf??ssin??sin?coisco?s?sin?sin??co?scoisco?s?sinico?s?????sin?sinico?ssinicois?????0???co?s?(f?)?sin??sifn(?cos?co?s?(f?)?cos??sifn(
r??sin?sin?(?f)siin?i)??i
c o??这就是用轨道要素描述航天器位置的公式，其中真近点角f须解开普勒方程。2．仿真原理
利用Matlab中的Simulink对式（2）和式（3）进行编程，实现航天器轨道要素与空间位置的转换。之后通过Simulink中的VR工具箱对航天器的运行轨道进行三维立体仿真。图3为VR Sink模块 和VR三维环境模型。
图3 VR Sink模块 和VR三维环境
3. 实验步骤：仿真实验系统如图4所示，系统由四部分组成，分别为航天器与中心引力体的距离r计算模块，航天器在赤道惯性坐标系中的坐标计算模块，真近点角f计算模块以及VR仿真模块。其中前两个模块是本次实验需要搭建的模块。
图4 仿真实验系统仿真中，主要应用了Simulink标准库中常用的模块库为：1．Math Operations(数学运算模块库)：主要完成基本的数学运算。2．Signal Routing（信号的路径）：作用是对输入的多路信号重排序，或者选择其中的某几路信号输出。3．Sinks(输出接受模块库)：主要包括常用的输出模块。4．Sources(输入源模块库)：主要包括信号发生器等信号输入模块。实验的具体步骤如下：（1）计算航天器与中心引力体的距离r利用Matlab中的Simulink实现公式（2）中r的计算。（2）计算航天器在赤道惯性坐标系中的坐标
利用Matlab中的Simulink实现公式（3）的计算。（3）显示航天器的运行轨迹要求分别显示航天器在赤道关系坐标系中XOZ、XOY以及YOZ平面的运动轨迹。（4）航天器轨道要素的几何意义改变航天器的轨道六要素，观察航天器运行轨道的变化。四、思考题1．当偏心率取不同值时，轨道的形状有何变化。2．当偏心率e=1时，r的计算会出错，如何进行编程避免上述错误。五、实验报告要求1．简明扼要的写出实验原理及步骤，准确回答思考题。2．写出实验体会，说明在实验中遇到的问题及解决方法。
实验二 霍曼转移一、实验目的1.了解霍曼转移的条件2.掌握霍曼转移的原理。二、实验设备安装有Matlab的计算机。三、实验内容1．实验原理航天器在太空中沿着某一固定的轨道运动，实际任务中航天器往往需要在不同的轨道中运动来满足任务的需要。比如某一轨道上运行的卫星发生故障不能返回，另一轨道上的宇宙飞船要对它进行修理，就好像公路上的一辆汽车，要从一个车道进入另一个车道。航天器的轨道机动是基于航天器轨道机动的瞬时假设，即航天器从一个轨道机动到另一个轨道是利用瞬时之间作用的速度增量来完成的，或者说可以通过单个或几个推力冲量来校正或改变轨道。在许多情况下，一个航天器的轨道机动可以由一系列的轨迹来实现。换句话说，航天器从一个轨道变为另一个轨道可以经过许多轨迹来达到。因此存在一个最优轨迹，这个最优轨迹的选择须以最少燃料消耗量为准则，有时还要求最合适的时间，可能是最短时间，也可能是给定的时间。霍曼转移对于两个圆形的共面轨道来说，转移中需要消耗的燃料最小。 如图5所示，对于向外轨道转移来说，沿切线方向提供第一个冲量，以便使航天器的速度vA变为v1，这样就可以使航天器进入远地点距离恰好等于终轨道半径的椭圆转移轨道。相应地，航天器在椭圆转移轨道远地点的速度即为v2 ，然后在转移轨道远地点提供第二个切向冲量，使速度由v2变为vB，完成整个转移过程。
图5 霍曼转移
2．实验步骤已知航天器需要从一条圆轨道转移到共面的另一条圆轨道上运行，其转移过程为霍曼转移，两条圆轨道的升交点赤经、近地点幅角以及轨道倾角的值为0，航天器当前运行轨道的半径为480公里，转移到半径为700公里的圆轨道上。根据霍曼转移原理计算出转移轨道的轨道要素，并利用Simulink和VR进行仿真。航天器在轨道中运行是由其轨道要素决定的，每个轨道都有其特定的轨道要素，所以航天器变轨就需要对不同的航天器轨道要素进行选择性的输入，Switch选择开关就具有这样的功能。
Switch选择开关如图6所示Switch选择开关有三个输入端口分别为端口1、端口2、端口3和一个输出端口，端口1和端口3为输入端口，端口2为选择满足条件端口。初始时输出端口1的值，当端口2的条件被满足，就输出端口3的值。实验的具体步骤如下：（1） 根据上述轨道转移的条件分别计算出初始轨道、过渡轨道和终轨道的轨道要素。（2） 用一个Switch选择开关，实现由初始轨道到过渡轨道的轨道要素的变换。转移的条件是航天器在初始轨道上的真近点角为180度。（3） 再用一个Switch选择开关，实现由过渡轨道到终轨道的轨道要素的变换。转移的条件是航天器在过渡轨道上运行的真近点角为180度。综上，完成霍曼转移。
四、思考题1．试写出转移轨道的轨道要素的计算过程。2．试写出进行轨道转移的条件及在Simulink中的实现方法。五、实验报告要求1．简明扼要的写出实验原理及步骤，准确回答思考题。2．写出实验体会，说明在实验中遇到的问题及解决方法。
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