《飞行动力学与飞行控制》以三代以上飞机为研究对象，以飞机飞行控制基本原理、飞行控制系统分析和设计基本方法为主要内容，以典型飞行控制装备的系统形态和功能模态为总体架构进行编写，注重飞行控制理论与系统的协调。《飞行动力学与飞行控制》共分为两部分：**部分为飞行动力学基础，系统介绍了飞行动力学和飞行力学基础知识、飞机动力学模型的建立和简化、飞机纵向和侧向运动特性分析等内容。第二部分为飞行控制，系统介绍了飞行控制系统的任务和设计目标，飞机的基本飞行性能，飞机电传控制系统改善飞机固有特性、操纵性、机动性、飞行品质及飞行边界控制的基本原理，飞机自动飞行控制系统实现飞机姿态和航迹稳定与控制的基本原理，飞机综合飞行控制，飞行管理系统以及无人机飞行管理系统等内容。

目录
前言
第 1 章 绪论 1
1.1 航空发展简述 1
1.2 飞机操纵系统 2
1.3 飞行控制系统 3
思考题 5
第 2 章 飞行动力学 6
2.1 飞机的力学变量 6
2.1.1 飞机的坐标系 6
2.1.2 坐标系的变换 8
2.1.3 飞机的姿态角 11
2.1.4 飞机的航迹角 12
2.1.5 飞机的气流角 16
2.1.6 风的影响 16
2.1.7 飞机的气动力 18
2.1.8 飞机的其他变量 18
2.1.9 飞机运动学关系的简化 19
2.2 飞机的气动布局与操纵面 20
2.2.1 飞机的气动布局 20
2.2.2 飞机的操纵面 23
2.2.3 飞机操纵机构的参数 23
2.3 飞机的力和力矩 24
2.3.1 空气动力学基本概念 24
2.3.2 机翼的几何形状和参数 31
2.3.3 空气动力的产生 35
2.3.4 对称定直平飞时作用在飞机上的俯仰力矩 47
2.3.5 非定常飞行时作用在飞机纵向的力和力矩 52
2.3.6 非对称飞行时作用在飞机侧向的力和力矩 58
2.4 飞机的动力装置 69
2.4.1 飞机发动机 69
2.4.2 发动机的模型与控制 69
2.4.3 常规发动机产生的力和力矩 71
2.4.4 推力矢量发动机产生的力和力矩 .72
2.5 影响飞机运动的其他因素 73
2.5.1 纵向运动与侧向运动的耦合 73
2.5.2 地面效应 74
2.5.3 弹性形变的影响 74
2.5.4 发动机的影响 76
2.5.5 风运动与飞机运动的耦合 76
思考题 86
第 3 章 飞机运动方程及特性分析 88
3.1 飞机运动方程的建立 88
3.1.1 飞机建模的基本假设 88
3.1.2 飞机动力学模型 89
3.1.3 飞机运动学模型 92
3.1.4 飞机运动方程组分析 97
3.2 飞机运动方程的线性化 .98
3.2.1 小扰动线性化原理 98
3.2.2 基准运动的选取 99
3.2.3 飞机纵向运动方程组的线性化 102
3.2.4 飞机侧向运动方程组的线性化 110
3.2.5 飞机状态方程信号流图 116
3.3 飞机纵向运动特性分析 117
3.3.1 飞机纵向运动的基本特性 117
3.3.2 飞机纵向运动的传递函数 121
3.3.3 飞机纵向运动的简化 123
3.3.4 定速静稳定性与定载静稳定性 128
3.3.5 飞机油门的纵向运动响应 131
3.4 飞机侧向运动特性分析 133
3.4.1 飞机侧向运动的基本特征 133
3.4.2 飞机侧向运动的传递函数 135
3.4.3 飞机侧向运动的简化与分析 136
思考题 141
第 4 章 飞行控制的任务与目标 143
4.1 任务与设计目标 143
4.1.1 评价准则 144
4.1.2 基本任务 146
4.2 飞行品质与规范 148
4.2.1 飞机分类及飞行阶段分类 149
4.2.2 纵向飞行品质 150
4.2.3 侧向飞行品质 155
4.2.4 飞行品质评价方法 156
4.2.5 飞机飞行控制系统通用规范 159
4.3 飞行性能 162
4.3.1 飞行性能计算的基本定义 162
4.3.2 飞机的基本飞行性能 165
4.3.3 飞机的续航和起飞着陆性能 171
4.3.4 飞机的机动飞行性能 178
思考题 182
第 5 章 飞机电传控制系统 184
5.1 基本概念 184
5.2 飞机的操纵原理 185
5.2.1 飞机的操纵元件 185
5.2.2 飞机的操纵驱动装置 188
5.2.3 飞机的伺服作动系统 196
5.2.4 飞机的操纵系统 202
5.3 飞机固有特性的改善 206
5.3.1 飞机阻尼特性的改善 207
5.3.2 飞机固有频率特性的改善 222
5.3.3 飞机纵向长周期运动的改善 228
5.3.4 飞机扰动的抑制措施 229
5.4 飞机操纵品质的改善 231
5.4.1 飞机的操纵品质 231
5.4.2 比例式电传操纵品质的改善 231
5.4.3 比例积分式电传操纵品质的改善 240
5.4.4 横航向电传控制律 247
5.4.5 起飞/着陆电传控制律 249
5.5 飞机机动性的改善 251
5.5.1 放宽静稳定性设计 251
5.5.2 直接力控制 256
5.5.3 机动载荷控制 263
5.6 飞机乘坐品质的改善 268
5.6.1 阵风载荷减缓 268
5.6.2 主动颤振模态抑制 271
5.7 飞行边界控制 272
5.7.1 主要飞行参数的限制条件 273
5.7.2 迎角和过载限制方案 275
思考题 280
第 6 章 飞机自动飞行控制系统 282
6.1 基本概念 282
6.1.1 主要功能 282
6.1.2 系统组成 283
6.1.3 基本参数要求 285
6.2 飞机姿态角的稳定与控制 286
6.2.1 俯仰角稳定与控制 286
6.2.2 滚转角稳定与控制 298
6.2.3 航向角稳定与控制 302
6.3 飞行航迹的稳定与控制 311
6.3.1 高度与垂直速度控制 312
6.3.2 速度与马赫数控制 319
6.3.3 自动导航控制 328
6.3.4 自动着陆控制 339
6.4 飞机变化航迹的控制 351
6.4.1 地形跟随控制 352
6.4.2 自动引导控制 358
思考题 362
第 7 章 先进飞行控制系统 365
7.1 综合飞行/火力控制系统 365
7.1.1 综合飞行控制 365
7.1.2 综合飞行/火力控制系统的基本组成及特点 .367
7.1.3 目标状态估计器 368
7.1.4 火力控制系统建模 369
7.1.5 飞行/火力耦合器 372
7.1.6 超控耦合器 376
7.2 综合飞行/推进控制系统 376
7.2.1 推进系统的基本控制参数 377
7.2.2 性能寻优控制 380
7.2.3 带推力矢量的综合飞行/推进控制系统 .382
7.3 综合飞行/火力/推进控制系统 .383
7.4 飞行管理系统 384
7.4.1 发展历程 384
7.4.2 基本组成与定义 385
7.4.3 主要功能 387
7.4.4 战术飞行管理系统 392
7.5 无人机飞机管理系统 394
7.5.1 无人机飞行控制特点 394
7.5.2 无人机飞机管理系统结构 395
7.5.3 无人机飞机管理系统功能 399
7.5.4 无人机飞行控制律 401
思考题 402
参考文献 403
附录 404
附录 A 主要符号表 .404
附录 B 气动大导数表达式 406

第 1 章 绪 论
1.1 航空发展简述
升空飞行是人类*古老、*美好的愿望之一。千百年来，中国及世界上其他国家和地区都流传着许许多多有关飞行的美妙神话和动人传说。受科学技术水平的限制，*初的飞行探索一直处于盲目的冒险和无尽的幻想阶段。直到近代，随着人类对飞行基础理论认识的不断加深，逐渐找到了三种离地飞行的技术途径：（1）根据热空气上升原理而发明了轻于空气的飞行器——热气球和飞艇；
（2）受中国古代竹蜻蜓和昆虫飞行的启迪，发明了靠旋转翼直升飞行的飞行
器——直升机；
（3）受中国风筝和鸟类滑翔飞行的启示，发明了靠固定翼面产生升力的飞行器——滑翔机和固定翼飞机。
时至今日，可在地球大气层内飞行的航空器种类与形式已多到令人眼花缭乱的地步，飞行速度、航程、升限和载重能力令一般人难以置信，更是鸟类、昆虫所无法比拟。纵观人类航空发展的历程，有几个令人激动和振奋的事件需要铭记：（1）1783 年 6 月 4 日，法国航空先驱、热气球的发明人 J.M. 蒙哥尔费和J.E. 蒙哥尔费兄弟，在法国里昂安诺内进行了*次公开表演，他们制作的直径达10m 的热气球上升到了 457m 的高度，在空中飘荡了 10min 左右。1783 年 11月 21 日，法国 F.P. 罗齐埃和 M. 达尔朗德乘坐蒙哥尔费兄弟制作的热气球升到1000m，在巴黎上空飞行了 25min，实现了人类历史上**次载人空中飞行。（2）1903 年 12 月 17 日，是人类航空史上一个意义深远的日子。上午 11 时左右，美国奥维尔？莱特在他们制作的“飞行者一号”固定翼飞机上俯伏就座，发动机启动后，飞机迎着 43.5km/h 的大风快速滑行并成功升空飞行，飞行持续时间虽然只有 12s，但这是人类历史上*次对重于空气的飞行器实现了有动力、载人、持续、稳定、可操纵飞行，它为人类征服天空揭开了新的一页，标志着固定翼飞机时代的来临。
（3）1947 年 10 月 14 日，由美国贝尔飞机公司设计制造的 X-1 型火箭试验机，在 12800m 的高空上达到了 1078km/h 的飞行速度（相应的马赫数 Ma 为1.015），*次突破了音障，它标志着人类已进入了超声速飞行的时代。
人类探索天空不过短短 200 多年，航空技术已成为现代文明的重要标志和不可缺少的一部分。随着人类对航空技术不断研究和探索，人类翱翔天空的本领将会更加强大和完美。
1.2 飞机操纵系统
飞机操纵系统，是指传递飞行员或自动驾驶仪的操纵指令，驱动舵面和其他机构以控制飞机飞行的系统，是飞机上极其重要的系统。对于歼击机，飞机操纵系统的性能好坏很大程度上影响着飞机的战术技术性能的发挥。
飞机诞生后的*初 30 多年中，飞机的操纵系统都是简单的机械操纵系统。*早采用的是钢索（软式）操纵，这种操纵系统结构简单，重量又轻，但是由于是软式操纵，它具有严重的操纵延迟现象，不适合用在机动性要求较高的战斗机上。后来出现了以传动杆为主要元件的硬式操纵，这种操纵和软式操纵相比结构复杂而且重量较重，但它极大地减少了操纵延迟现象。这两种操纵都属于人力操纵系统，飞行员操纵驾驶杆和脚蹬的运动直接反映飞机的平尾、副翼和方向舵的舵面转动，这种操纵方式要求飞行员有强健的体魄。
随着飞机飞行速度的提高、飞机尺寸和重量的增加，特别是飞行速度进入跨声速乃至超声速以后，气动舵面上的压力分布发生变化，作用在飞机舵面上的铰链力矩越来越大，靠舵面的气动补偿措施和飞行员的体力已难以操纵舵面的偏转，因此出现了液压助力器，以实现助力操纵，减轻飞行员的负担。助力操纵系统分为可逆助力操纵系统和不可逆助力操纵系统。对于可逆助力操纵系统，飞行员可通过回力杆，真实地感受舵面上气动力矩的变化，通过改变助力器的传动比，得到大小合适的杆力。这种助力操纵系统常用于高亚声速飞机和重型飞机。对于超声速飞机，由于舵面上压力分布的范围变化大，特别是采用全动平尾后，其铰链力矩的变化范围更大，无法取得合适的回力比，因此取消了回力杆，这就是不可逆助力操纵系统。采用不可逆助力操纵系统，飞行员无法从杆力的大小上判断飞机的飞行状态，不利于操纵，为此设置了人工载荷感觉器和调整片效应机构。又由于在不同高度和速度下，舵面的操纵效率不同，又设置了力臂自动调节器。可见，不可逆助力操纵系统是一种非常复杂的机械操纵系统。从简单的人力操纵系统到复杂的不可逆助力操纵系统，飞机的操纵系统变得越来越复杂。这些操纵系统都是机械操纵系统，其中的摩擦、间隙和弹性变形始终无法解决。随着对飞机性能的要求越来越高，机械操纵系统对解决精确、微小的操纵信号越来越无能为力。20 世纪 70 年代初，出现了电传操纵系统，电传操纵系统采用电信号的传递代替笨重复杂的机械传动机构，极大地提高了飞机的各项性能。电传操纵系统是现代技术发展的综合产物，微电子技术和计算机技术的发展、可靠性理论和余度技术的建立以及控制理论的融入都为电传操纵系统奠定了基础，而电传操纵系统的出现又为随控布局飞机奠定了基础。电传操纵系统具有完善的反馈控制回路，它的出现也使得操纵系统和飞行控制系统结合得更加完善和紧密。
在飞机上用以操纵飞机俯仰、偏航和滚转的操纵系统一般称为飞机的主操纵系统，实际上除了主操纵系统，还有辅助操纵系统。现代飞机的辅助操纵系统主要有各种襟翼（增升襟翼、前缘襟翼、机动襟翼）操纵系统、减速板、配平调整片、水平安定面及变后掠翼操纵系统等。主操纵系统会给飞行员有力和位移的感觉，但辅助操纵系统通常没有。
1.3 飞行控制系统
一百多年来，凭着灵巧的操作、出色的适应能力和强健的体魄，许多飞行员采用人工操纵，安全地驾驶着各类不同的飞机穿梭来往于全球各地。即使是自动化技术日益完善和成熟的今天，仍然有许多飞机（飞行器）完全是用人工操纵的。但是人的能力毕竟是有限的，随着飞机飞行速度和飞行高度的不断提高以及飞行距离的不断延伸，单纯用人工操纵飞机，飞行员已经力不从心，这主要表现在以下几个方面：
（1）反应速度的问题。在低空高速飞行时，飞行员无法及时改变飞机的姿态和飞行路线以躲避障碍。
（2）人的体力问题。长期连续飞行时巨大的精神负担和疲劳已经超过了人的生理极限。
（3）感觉和判断问题。要驾驶飞机必须能判断飞机的状态和所处的位置，但是，处于云中或大海之上时，飞行员往往难以做出准确判断。
总之，要安全顺利地操纵飞机并完成既定任务，仅靠人力是非常困难的。
1912 年美国的 Elmer Ambrose Sperry 和他的儿子 Lawrence Burst Sperry设计完成了**台自动驾驶仪，用它可以保持飞机的稳定平飞。第二次世界大战期间，美国*先制造了功能完善的 C-1 型电气式自动驾驶仪。第二次世界大战后，飞机自动驾驶仪逐渐与机上的其他装置耦合以控制航迹（定高或自动下滑等），它既能稳定飞机，又能全面地控制飞机的各个飞行阶段，直至自动着陆。在超声速飞机出现之前，早期的飞行控制系统主要就是自动驾驶仪，它广泛地安装于运输机和轰炸机上。
歼击机突破音障、飞行包线扩大以后，飞机自身的稳定性恶化，飞行员操纵困难，于是飞机上开始安装一种新的用于改善飞机稳定性的飞行控制系统，这就是阻尼和增稳系统。阻尼和增稳系统引入了角速度及过载（或迎角、侧滑角）反馈，来增加飞机的运动阻尼和提高飞机自身的静稳定性。在阻尼和增稳系统的基础上，为了进一步提高飞机的性能，特别是为了解决飞机的稳定性和操纵性之间的矛盾，又发展了一种新的飞行控制系统，即控制增稳系统。控制增稳系统除了用增稳回路来改善飞机的稳定性，还增加了一条与机械操纵系统并行的电气操纵通路，用于改善飞机的操纵性。从安全性考虑，用于操纵飞机的电气操纵链对飞机舵面的操纵权限是有限制的。20 世纪 60 年代，控制增稳系统已经广泛地应用于各种飞机上。随着技术的进步，取消机械操纵，完全用电信号操纵飞机成为可能。在取消了机械操纵通道以后，飞行控制系统取得了对飞机舵面的全部操纵权限，控制增稳系统就发展成为电传操纵系统，这时，飞行自动控制系统与飞机操纵系统完全融合。70 年代，电传操纵系统由模拟式发展成为先进的数字式，它是多余度的高可靠性系统，其安全可靠性甚至高于机械操纵系统。
电传操纵系统的应用，为新型飞行控制系统的发展奠定了基础。20 世纪 60年代，飞行器设计思想发生了根本性变化，出现了随控布局（control configurationvehicle，CCV）设计思想，取代了以气动布局为中心的设计思想。随控布局的设计思想是：综合考虑气动布局、飞行器结构、推进装置、控制系统四个环节，并以控制为纽带，充分发挥和协调四个环节的功能，从而大大提高整个飞行器的性能。采用随控布局设计思想，一个重要的理论支柱就是主动控制技术（active controltechnology，ACT）。主动控制可以这样理解：控制系统从过去的从属地位变为飞行器总体设计的四个主要环节之一，从而主动、积极地参与飞行器的总体布局、总体方案和总体设计各个环节。另外也可以理解为：过去控制系统是在飞机设计好了以后，对已有飞机对象进行改造和完善，这属于一种被动、应付的措施。而如果在飞机设计阶段就考虑控制的作用，控制和飞机设计融于一体，同步进行，这样飞机生产出来以后，控制系统已成为飞机的一部分，这就是主动控制的含义。主动控制的出现是飞行控制系统发展中的一个飞跃，目前，主动控制技术已与传统电传操纵系统深度融合。
随着控制理论、航空技术及计算机技术的不断发展，飞行控制系统不断朝着数字化和综合化方向发展。由于对飞行器的要求日益提高，飞机上装了很多系统，如数字式电传控制系统、数字式发动机控制系统、火力控制系统、发动机进气道调节系统、综合航电系统以及先进的测量与传感设备等。到了 20 世纪 70 年代已有把这些系统综合起来发挥更大效能的趋势。80 年代出现了综合飞行/推进/火力控制系统，就是把火力控制系统、推进系统和控制系统综合起来形成的综合控制系统。综合控制系统将各原本*立的系统综合起来，协同工作，可以更高效、更完美地完成各种飞行和作战任务。与此同时，考虑到大量子系统导致的飞机控制系统复杂程度增加、系统间耦合严重、操纵控制负担加大、系统可靠性降低等问题，70 年代英国空军在欧洲战斗机（European fighter aircraft，EFA）先进技术研究计划中*先提出了飞行器管理系统（vehicle management system，VMS）概念，其通过综合控制与管理子系统，实现子系统协调、功能分配、资源共享，使得飞行器可以优化性能、降低能耗、减轻操纵负担、降低维护费用，目前 VMS 已在无人机控制中得到了较为广泛的应用。
思 考 题
1. 三种离地飞行的技术途径分别是什么？
2. 什么是飞机操纵系统？
3. 简述飞机操纵系统的发展。
4. 简述飞行控制系统的发展。
5. 什么是随控布局设计？
6. 什么是主动控制技术？
第 2 章 飞行动力学
飞行动力学是研究飞行器在空中的运动规律及总体性能的科学。所有穿过空
气流体介质或者是真空的运动体，统称为飞行器，主要包括航天器、航空器、弹
箭、水下兵器等。本章主要研究飞机的运动规律，因此也称为飞机飞行动力学，目
的在于从基本原理和性能分析技巧方面为飞机的研制和使用提供理论基础。
2.1 飞机的力学变量
在假设飞机是刚体的基础上，可以将飞机的空间运动分解为飞机质心的空间运动和飞机机体绕质心的转动两部分。为了对这两种运动进行全面准确的描述，*先需要定义一组飞机的运动变量来加以表征，如飞机质心的空间位置、飞行速度、飞行加速度、飞行方向、飞机姿态、飞机转动角速度等，然后根据飞机在空气中飞行所遵循的动力学特性以及牛顿运动学定律，建立飞机的运动学方程，分析其运动特性，进而实现对飞机的飞行控制。
2.1.1 飞机的坐标系
在建立飞行器运动方程时，为了确