中国国防科技网 http://www.8ltech.com §1.1.2飞行力学的主要研究手段 飞行力学在解决飞行器设计、运行和人员训练方面所用的研 究手段归纳起来有四种:理论分析(解析法)、数值计算、仿真试 验和飞行试验。以上四种研究手段细分如下 理论分析(解析法) 数值计算(计算飞行力学) 数学仿真 半实物仿真 飞行力学的仿真试验 风洞试验 研究手段 模拟器 缩比模型飞行试验 飞行试验特殊弹道飞行试验 全尺寸模型飞行试验 飞行器飞行试验 理论分析所用的理论除理论力学外,主要的是应用数学中的 系统理论,特别是其中的随机过程和最佳理论。 数值计算这一研究手段随着计算机技术的发展,得到了迅速 的发展,甚至有人称之为计算飞行力学,它改变了人们过去为得 到解析解而把问题加以简化的作法,因为目前计算速度可以使以 前认为无法解决的优化弹道问题、系统设计问题变成十分简单的 事 计算技术和仿真技术的发展为飞行器飞行力学提供了强有力 的研究和设计手段。专用数字仿真机(美国的AD100,中国银河 I仿真机)和高性能的通用机,使得在实验室里进行实时的六自 由度的数学仿真和半实物仿真成为可能,改变过去主要依靠飞行 试验的情况。利用计算机和仿真技术,飞行训练模拟器和工程模 拟器为驾驶人员的培训、飞行品质的研究提供了研究工具。与此
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中国国防科技网 http://www.8ltech.com 同时,飞行器的飞行试验技术也有很大的发展,大容量的遥测设 备、高精度遥测传感器和光测、雷测设备,以及自动化的数据处 理技术,大大地提高了飞行器飞行数据的数量和质量,这就有可 能在仿真系统中建立飞行器的飞行试验数据库,并在参数辨识和 模型验证的基础上,完成飞行器的弹道重构,实现飞行试验和仿 真试验的一体化,大大地改进飞行器系统的试验和鉴定工作。 §1.2飞行器再入动力学和制导研究内容 §1.2.1飞行器再入时的特点 1.飞行力学的分类 飞行力学是研究飞行器运动规律的一门技术学科,是应用力 学的一个分支。但随着航空航天科学技术的进步、飞行实践的进 展,飞行器的种类越来越多,活动范围由大气层内进入太空,飞 行速度由亚声速提高到第二宇宙速度,由于各种飞行器飞行力学 所要研究的问题不完全相同;飞行环境也不同;所遇到的问题也 不一样,飞行力学可以按不同的方法加以分类。按飞行器种类不 同区分为飞机飞行力学导弹飞行力学和航天器飞行力学三大类, 而每一大类又按各自特点区分成若干种。飞机飞行力学又细分为 飞机飞行动力学和直升飞机飞行动力学;导弹飞行力学又细分为 战术导弹飞行力学、地空导弹飞行力学和弹道导弹飞行力学等;航 天器飞行力学又细分航天器轨道动力学和卫星姿态动力学与控制 按飞行器的飞行环境可区分成只在大气层内飞行的飞行力学 如大气飞行动力学和大气飞行器姿态动力学,和只在大气层外飞 行的飞行力学,如宇宙飞行力学和人造地球卫星轨道力学。当然 也有飞行力学既讨论大气层内飞行又讨论大气层外的飞行如远程
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中国国防科技网 http://www.8ltech.com 火箭弹道学。 按研究飞行器质心运动和绕质心运动加以分类,只研究飞行 器质心运动而不研究绕质心运动如轨道动力学、飞机性能计算等 而只研究绕其质心运动的有飞行器姿态动力学。 随着导弹技术的发展,导弹的射程愈来愈远;对落点精度要 求愈来愈高;而突防的要求愈来愈迫切,使得导弹的战斗部一 弹头进人大气层后的环境,包括力学环境、热环境愈来愈恶劣,弹 头再入飞行力学的问题愈来愈受到人们的重视。而随着航天技术 的发展,航天活动已由无人发展到有人;对飞行过程中所受到的 过载和热流要求愈来愈小;为了安全和便于寻找,对航天器着陆 点精度的要求也越来越高;而着陆方式也由一次性的垂直着陆向 多次重复使用的水平着陆方式发展,所有这些使航天器的返回着 陆问题也愈来愈受到重视,形成了航天器再入动力学 虽然弹头再人飞行力学和航天器再人动力学有着不完全相同 的内容,但却有一个共同点,就是高速再入大气层带来的一系列 问题。其中与再入弹道(轨道)设计、再入制导与控制方法研究 有关的问题便形成了飞行力学的一个新分支—飞行器再入动力 学。也有人称再人飞行器动力学。严格地讲,再人飞行器动力学 还应包括再入飞行器发射段、自由飞行段运动规律研究,但习惯 上再入飞行器动力学只研究其再人段的运动规律。在本书中两个 名称通用,飞行器再入动力学是研究飞行器再入大气层的运动规 律。包括如何保证进入大气层和进入大气层后的运动特性。 飞行器的含义很广,本书的飞行器指的是弹道导弹弹头和航 天器,它可以包括弹头、机动弹头、卫星、飞船和航天飞机等。 按照广义飞行力学的定义,它研究的内容包括轨道设计、制 导规律、控制方法、弹道仿真和精度分析。但目前有的书,如 《航天器轨道动力学与控制》31一书称轨道动力学主要研究航天 器在重力场和其它外力作用下的质点动力学问题,而航天器的轨
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中国国防科技网 http://www.8ltech.com 道控制则研究对航天器质心主动施加外力使之按需要改变运动轨 道的理论和技术。另外《空间飞行器动力学和控制》也有类似的 观点。同样对飞行力学中的姿态动力学,按广义的飞行力学定义, 它已经包括姿态机动的内容,但目前常用的说法仍称为姿态动力 学与控制,如《卫星姿态动力学与控制》、《大型航天器动力学与 控制》。本书也可以定名为《飞行器再人动力学与控制》,但为了 突出制导方法研究在飞行力学中的地位,且不过多涉及具体姿态 控制系统的内容,所以本书定名为《飞行器再入动力学和制导》。 2.弹遒导弹弹头再入的特点 (1)弹头再入的特点 弹头是弹道导弹的有效载荷,用于毁伤目标。弹头的质量、威 力、命中精度和突防能力等都是弹道导弹的主要战术技术指标减 小弹头的质量是提高导弹地面机动能力的关键,足够的突防能力 是弹头突破防方拦截,保证到达目标上空,进行作战的前提,弹 头的威力,很大程度上决定了导弹的打击能力 弹头的种类可以按不同的原则加以分类。按飞行弹道分为惯 性弹头和机动弹头。 惯性弹头又称无控弹头,它与弹体分离后,依赖它从弹体获 得的能量作惯性飞行。飞行弹道主要取决于分离点弹头的位置、速 度和弹道倾角。 柷动弹头在与弹体分离后,可根据需要改变飞行弹道。通过 改变飞行弹道来躲避敌方拦截的机动弹头叫躲避型机动弹头。不 仅改变飞行弹道而且通过末制导系统来提高命中精度的机动弹 头叫精确型机动弹头或高级机动弹头。 不管是惯性弹头还是机动弹头,从飞行力学角度来看,都有 如下特点: ①弹头再人环境异常恶劣 弹头超高速飞行,再人大气层后,造成高温、高压环境;噪
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中国国防科技网 http://www.8ltech.com 声、振动、冲击、过载都十分严重。总的看来,热、力环境比主 动段严重几倍乃至百倍。 ②攻防对抗使弹头技术复杂化 弹道导弹是进攻性武器,由于反导系统的出现和发屐,弹头 在飞行过程中可能遭到拦截,为避免拦截进行突防应采取多种手 段,如反识别技术中的隐身技术、干扰技术、诱佴技术等,而反 拦截技术中有采用多个弹头同时攻击一个目标,以饱和反导导弹 的拦截能力。另外一种手段是进行机动躲避,弹头的机动弹道可 降低反导武器杀伤概率 除上述两点外,还有弹头系统难以在地面进行综合考核;弹 头结构是多层复合结构;弹头设计制约条件多、协调面广等特点, 使得弹头技术受到世界各国的重视。 就战略导弹弹头而言,它从笨重的单弹头发展成为小型化的 分导式多弹头;从单一的弹道式弹头发展成为再入机动弹头;从 惯性飞行发展到有精确末制导技术的飞行;从无突防能力的弹头 发展到具有突防能力的弹头,从核弹头发展到具有核、常兼顾的 弹头。目前战略导弹弹头的发展趋势归纳为小型化、高精度、强 突防、全天候和机动飞行。 小型化需要解决滚转控制问题,这涉及到再入体的姿态动力 学、稳定性分析等;提高再人精度涉及弹头性能参数优化选取、再 人弹道设计等飞行力学问题;对于末端制导的高精度弹头,飞行 力学还与再制导控制技术密切相关;弹头具有较强突防能力不 仅要研究攻防对抗中各种再入体、诱饵飞行程序轨道、空域分布、 突防效果等,还需研究防方拦截器导引和飞行等问题;全天候性 能要解决天气浸蚀对弹头飞行性能和弹道的影响;而机动飞行与 机动弹道设计、制导和控制规律研究有着密切关系。上述这些问 题无一不是飞行力学要致力研究的问题 (2)弹头再人飞行力学在弹头研制中的地位和作用
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