《航空航天工程飞行试验导论》以*到的飞行试验视角深入浅出地阐述了航空航天工程基本概念、理论与方法，包括空气动力学、推进系统、飞机性能、稳定性与操纵性等。原著者汇集数十年研究经验，融会贯通地阐述了颇具特色的“飞行试验技术”与“地面试验技术”，为读者生动呈现了航空航天工程*具探索性与风险性的试验试飞领域，使得《航空航天工程飞行试验导论》兼具基础性、学术性与实践性、实用性。

目录
第1章 *飞1
1.1 引言 2
1.1.1 本书结构 3
1.1.2 飞行试验技术：熟悉性飞行 4
1.2 航空器 13
1.2.1 航空器的分类 13
1.2.2 固定翼飞机 14
1.2.3 旋翼航空器：直升机 31
1.2.4 轻于空气类航空器：气球和飞艇 39
1.2.5 无人机 48
1.3 航天器 50
1.3.1 航天器的分类 51
1.3.2 航天器部件 57
1.3.3 无人航天器 63
1.3.4 载人航天器 76
1.3.5 航天运输系统与航天器 86
参考文献 104
第2章 概念介绍106
2.1 引言 107
2.2 数学概念简介 107
2.2.1 单位和单位制 107
2.2.2 测量和数值不确定度 116
2.2.3 标量和矢量 122
2.3 航空航天工程概念引论 124
2.3.1 飞机机体坐标系 124
2.3.2 迎角和侧滑角 125
2.3.3 飞机稳定性坐标系 127
2.3.4 飞机站位编号系统 127
2.3.5 自由体图与四种力 129
2.3.6 FTT：配平飞行 134
2.3.7 马赫数和飞行状态 139
2.3.8 飞行包线 143
2.3.9 V-n图 155
2.3.10 飞机重量与平衡 160
2.3.11 航空航天器的标识和命名 167
2.4 飞行试验概念导论 173
2.4.1 什么是飞行试验 173
2.4.2 试飞过程 179
2.4.3 飞行试验技术 181
2.4.4 试飞员？试飞工程师和试飞分析师的职责 185
2.4.5 试飞安全与风险评估 186
参考文献 190
习题 192
第3章 空气动力学194
3.1 引言 195
3.2 流体的基本物理特性 196
3.2.1 流体微元 196
3.2.2 流体的热力学特性 197
3.2.3 流体的运动学特性 199
3.2.4 流线？迹线和流场显示 200
3.2.5 FTT：飞行中流场显示 202
3.2.6 流体的输运特性 204
3.3 空气动力学流动的类型 207
3.3.1 连续流和非连续流 207
3.3.2 定常流和非定常流 209
3.3.3 不可压流和可压流 209
3.3.4 无黏流和黏性流 211
3.4 相似参数 213
3.4.1 马赫数 214
3.4.2 雷诺数 215
3.4.3 压力系数 217
3.4.4 力和力矩系数 217
3.4.5 比热容比 218
3.4.6 普朗特数 218
3.4.7 其他相似参数 219
3.4.8 相似参数小结 224
3.5 热力学简要回顾 226
3.5.1 热力学系统和状态 226
3.5.2 连接热力学状态：状态方程 228
3.5.3 其他热力学性质：内能？焓？熵 236
3.5.4 功和热量 238
3.5.5 热力学定律 243
3.5.6 理想气体的比热容 246
3.5.7 等熵流动 249
3.6 流体运动基本方程 253
3.6.1 质量守恒：连续性方程 253
3.6.2 牛顿第二定律：动量守恒方程 254
3.6.3 能量守恒：能量守恒方程 260
3.6.4 流体流动控制方程总结 262
3.7 气动力和气动力矩 263
3.7.1 升力 266
3.7.2 阻力 273
3.7.3 GTT：阻力清理 284
3.7.4 GTT：风洞试验 286
3.7.5 GTT：计算流体力学 303
3.7.6 FTT：稳定滑翔时的升力和阻力 307
3.8 二维升力形状： 翼型 314
3.8.1 翼型结构和命名法 320
3.8.2 翼型命名系统 321
3.8.3 翼型升力？阻力和俯仰力矩 324
3.8.4 压力系数 324
3.8.5 翼型升力？阻力和力矩*线 326
3.8.6 一些对称和非对称翼型数据 331
3.8.7 对称翼型和弯*翼型比较 335
3.9 三维空气动力学： 机翼 338
3.9.1 有限机翼 338
3.9.2 有限机翼的升力和阻力*线 352
3.9.3 高升力装置 355
3.9.4 FTT：气动建模 360
3.9.5 地面效应中的机翼 368
3.10 可压缩？亚声速和跨声速流动 374
3.10.1 声速 375
3.10.2 临界马赫数与阻力发散 377
3.10.3 压缩性修正 381
3.10.4 声障 385
3.10.5 打破声障：贝尔X 1 和迈尔斯M.52 飞机 387
3.11 超声速流动 394
3.11.1 等熵流关系式 394
3.11.2 激波和膨胀波 396
3.11.3 试飞中的激波显示技术 403
3.11.4 声爆 406
3.11.5 超声速机翼的升力与阻力 410
3.11.6 超临界机翼 413
3.11.7 超声速飞行机翼 415
3.11.8 跨声速与超声速面积律 430
3.11.9 内部超声速流动 436
3.12 黏性流 443
3.12.1 表面摩擦力和剪应力 443
3.12.2 边界层 445
3.12.3 表面摩擦阻力 454
3.12.4 气动失速和偏离 459
3.12.5 FTT：失速和尾旋飞行试验 472
3.13 高超声速流动 478
3.13.1 高超声速飞行器 479
3.13.2 高马赫数的影响 482
3.13.3 高温的影响 485
3.13.4 黏性高超声速流动 487
3.13.5 低密度的影响 491
3.13.6 无黏高超声速流的近似分析 491
3.13.7 气动加热 496
3.13.8 FTT：高超声速试飞 501
3.14 升阻理论总结 511
参考文献 514
习题 518
第4章 推进系统522
4.1 引言 522
4.1.1 推力的概念 523
4.1.2 发动机站位编号 527
4.2 有加热过程与做功的推进流 528
4.3 推力公式的推导 531
4.3.1 推阻划分 532
4.3.2 火箭发动机的安装前推力 533
4.3.3 冲压发动机和涡轮喷气发动机的安装前推力 535
4.3.4 吸气式发动机的安装推力 538
4.3.5 螺旋桨的推力公式 539
4.4 螺旋桨和喷气发动机的推力？功率*线 542
4.4.1 FTT：飞行推力确定 544
4.5 吸气式推进 549
4.5.1 吸气式推进器性能参数 550
4.5.2 冲压式喷气发动机 556
4.5.3 燃气发生器 561
4.5.4 涡轮喷气发动机 566
4.5.5 涡轮风扇发动机 574
4.5.6 涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机 577
4.5.7 关于吸气式发动机进气道与喷管的更多信息 580
4.5.8 往复式活塞发动机与螺旋桨组合动力装置 589
4.5.9 吸气式发动机热力学循环总结 603
4.5.10 GTT：发动机试验舱与试车台 603
4.5.11 FTT：发动机飞行台 606
4.6 火箭推进 608
4.6.1 推力室热力学 609
4.6.2 火箭推进性能参数 610
4.6.3 液体推进剂火箭推进 619
4.6.4 固体推进剂火箭推进 622
4.6.5 混合推进剂火箭推进 626
4.6.6 火箭喷管类型 629
4.7 其他非吸气式推进 631
4.7.1 核火箭推进 632
4.7.2 电推进航天器 633
4.7.3 太阳能推进 639
4.8 其他吸气式推进 643
4.8.1 超燃冲压发动机 644
4.8.2 组合循环推进 645
4.8.3 非稳态推进 646
参考文献 651
习题 652
第5章 性能654
5.1 引言 655
5.2 高度定义 658
5.3 大气物理描述 661
5.3.1 大气的化学成分 662
5.3.2 大气层 663
5.3.3 GTT：机舱增压试验 666
5.4 流体静力学方程： 流体静力方程 668
5.5 标准大气 672
5.5.1 标准大气模型发展 672
5.5.2 温度比？压力比和密度比 678
5.6 大气数据系统测量 680
5.6.1 皮托静压系统 681
5.6.2 高度测量 682
5.6.3 空速测量 684
5.6.4 空速的类型 689
5.6.5 皮托静压系统误差 694
5.6.6 其他大气数据测量 697
5.6.7 FTT：高度和空速校准 700
5.7 匀速飞行的运动方程 708
5.8 平飞性能 710
5.8.1 水平匀速飞行所需推力 711
5.8.2 *小所需推力对应的速度和升力系数 715
5.8.3 可用推力和*大速度 717
5.8.4 所需功率和可用功率 720
5.8.5 *小所需功率的速度和升力系数 724
5.8.6 航程和航时 727
5.8.7 FTT：巡航性能 733
5.9 爬升性能 743
5.9.1 *大爬升角和*大爬升率 743
5.9.2 爬升时间 746
5.9.3 FTT：爬升性能 749
5.10 滑翔性能 753
5.11 极坐标图 756
5.12 能量概念 758
5.12.1 FTT：单位剩余功率 767
5.13 转弯性能 771
5.13.1 水平转弯 771
5.13.2 垂直平面转弯 782
5.13.3 转弯性能和V n 图 785
5.13.4 FTT：转弯性能 786
5.14 起降性能 790
5.14.1 起飞距离 795
5.14.2 着陆距离 796
5.14.3 FTT：起飞性能 799
参考文献 804
习题 805
第6章 稳定性与操纵性808
6.1 引言 809
6.2 飞机稳定性 810
6.2.1 静稳定性 811
6.2.2 动稳定性 811
6.3 飞机操纵 812
6.3.1 飞行操纵 813
6.3.2 定杆和松杆稳定性 814
6.4 机体坐标系？符号法则和术语 815
6.5 纵向静稳定性 819
6.5.1 俯仰力矩*线 820
6.5.2 具有纵向静稳定性和平衡性的布局 823
6.5.3 飞机部件对俯仰力矩的贡献 827
6.5.4 中性点和静稳定裕度 841
6.6 纵向操纵性 845
6.6.1 升降舵效能和操纵效率导数 845
6.6.2 计算升降舵偏转后的配平条件 850
6.6.3 升降舵铰链力矩 852
6

**章*飞
　　“在威尔伯14日那次验证失利之后，我迎来了*次试飞机会。在预热发动机几分钟后，我松开了将飞机固定在跑道上的牵引绳，目睹它迎风前进。威尔伯在飞机的一侧奔跑，用手扶着机翼使其在跑道上保持平衡。相较于14曰的无风天气，本次飞机起飞时遭遇了时速27mile（1mile=1.609344km）的逆风，导致其前行速度极为缓慢。正因为此，威尔伯才能坚持跑完40ft（1ft=0.3048m）的距离，直至飞机脱离跑道。在飞机抵达跑道尽头并升至大约2ft的高度时，一位救生员捕捉到了这张照片。在照片中，威尔伯轻松地站在飞机旁边，这一姿态直观地展现了飞机在地面上行驶的缓慢程度。
　　飞机的飞行过程显得颇为不稳定，这主要归因于两方面因素：一是气流的不稳定，二是操作者对飞机的掌控经验不足。其中，前置升降舵的位置过于靠近中心，使操控变得困难。升降舵在作动时存在自发偏转的倾向，导致舵面时而向上、时而向下的过度偏转。这导致飞机在急剧爬升至约10ft高度后，突然以极快的速度俯冲至地面。就这样，*次飞行之旅在距离跑道端头前方百余英尺处戛然而止，即从飞机实际起飞点算起，大致为120ft。鉴于当时环境风速超过35ft/s，而飞机的地速仅为10ft/s，因此，飞机相对于空气的实际速度已超过45ft/s，这一速度相当于在静止的大气中飞行了540ft的距离。尽管此次飞行仅持续了短短12s，但它无疑是人类历史上的一次重大突破，标志着*架载人飞机完全依靠自身动力实现起飞并完成全程飞行的工程壮举。在飞行过程中，该飞机在保持前进速度的同时，*终成功地在与其起飞时相同的高度位置着陆。”
　　奥维尔？莱特在1903年12月17日的日记中记录了他成功完成了一次重于空气类飞行器的*次飞行，地点是北卡罗来纳州斩魔山。
　　1.1引言
　　航空航天工程的历史是由众多“**次”共同铸就的，诸如**次热气球升空、**次固定翼飞机翱翔、**次直升机起飞、**次人造卫星人轨及**次载人飞船飞行等。在本书的第1章中，我们将深人探讨这些具有里程碑意义的“**次”事件，它们在航空航天工程的发展进程中占据了举足轻重的地位。航空航天工程作为这些历史事件的重要参与者，见证并推动了人类飞行梦想的逐步实现。对于新设计的飞行器而言，其*次试飞（后文简称*飞）无疑是一项具有重大意义的成就。这一里程碑事件的实现，凝聚了工程师、技术人员、管理人员、飞行员及其他各类支持人员的智慧和汗水。*飞通常标志着新航空航天工程概念或理论在实际飞行中的初次应用，从而通过真机飞行的方式对这些概念或理论进行验证。
　　如果你是一名航空航天领域的工程师，那么祝贺你获得了为新航空器、航天器的*飞或新技术的应用做出贡献的机会。你将深人参与航空航天飞行器的设计、分析、研究、开发与验证等各个环节，全面覆盖空气动力学、推进力学、性能、稳定性、控制、结构及系统等多个航空航天工程学科专业领域。本书择要介绍了数门基础学科。航空航天工程师通过对飞行器开展地面验证和飞行验证，深人验证飞行器的性能是否与设计预期相符，并持续提升其运行特性。作为对整机或整个系统的全面检验，飞行验证在确保飞行器性能达标及优化方面发挥着不可或缺的作用。
　　在诸多工程和技术领域，时常会涌现出“似乎已无所作为”或“似无新物可创”的错觉。部分观点认为，人类过去在航空航天领域的辉煌成就，或许预示着未来创新之路将趋于黯淡。然而，当我们审视当今世界，航空航天工程师已然设计、制造并成功运行了一系列令世人瞩目、具备高度创新性与复杂性的工业品。尽管如此，航空航天器的设计领域仍然蕴藏着丰富的创造力和广阔的创新空间，而技术的不断突破也为人类提供了更加接近星空的机遇。我们坚信，在你阅读本书后，不仅将深人掌握航空航天工程的现有知识体系，更会对那些尚待探索的广阔未知领域心怀敬畏。
　　1.1.1本书结构
　　航空航天工程是涉及航空工程和航天工程两大领域的综合性学科。从广义的角度来看，航空工程专注于研究在大气层内飞行的飞行器，即航空器;而航天工程则致力于研究在真空环境的太空中运行的飞行器，即航天器。在诸多层面，航空航天工程实现了这两个领域的有机融合，涵盖了航空器、航天器及能够同时在大气层内和太空环境中运行的其他飞行器。接下来，我们将对各类空天飞行器的定义进行更为精准地阐述。
　　本书章节组织结构如图1.1所示。第1章*先定义并讨论众多不同类型的航空器和航天器，详尽地描述了这些多样化航空航天飞行器的*飞经历，从而为航空航天工程领域的进步与演变提供了宝贵的洞见和展望。在此，航空器与航天器的术语均得到清晰界定，并且对组成不同类型飞行器的各类零部件和组件也给出了定义。
　　此外，读者还将有机会在驾驶现代超声速喷气式飞机的“文学描述”中体验其“*次飞行”的激动人心时刻，并获得对后续章节中诸多待深人探究领域的初步认识。
　　第2章重点阐述航空航天工程和飞行验证领域的人门知识，涵盖了核心概念、专业定义和术语解释，为后续章节的学习奠定坚实基石。该章*先通过复习与巩固基础的数理思想、定义及基本概念，为读者构建一个全面而系统的“工程工具箱”，为后续的航空航天飞行器分析和设计提供有力的工具支持。紧接着介绍与航空航天飞行紧密相关的系列概念，如飞机轴系统、自由体受力图、飞行状态及飞行包线等。*后，该章还对飞行验证的基本概念进行全面的梳理与阐述，包括各类飞行验证的类型、实施流程、相关参与方及技术应用，为读者提供一个清晰而全面的飞行验证知识体系。
　　第3章与第4章分别讨论空气动力学与推进系统的基础内容。第3章聚焦于空气动力学领域的核心理论与实用工具，这些理论与工具对于分析航空航天器在飞行过程中所受气流作用（如升力、阻力等）具有关键作用。同时，本章还详细剖析空气动力产生的原理及其对航空航天器气动面设计（如翼型、机翼等）的重要影响。第4章则致力于推进力学的系统研究，全面介绍为航空航天器提供推进动力的各种装置与技术，涵盖大气层内和太空环境下的应用场景。通过学习本章内容，无论航空航天飞行器采用何种类型的推进系统，读者都将能够对其推力产生的原理与机制有更为深刻的理解。
　　第5章的性能研究是以对空气动力学与推进力学的深人学习和理解为基础进而展开的系统性探讨。如图1.1所示，性能主要研究分析空气动力（包括升力和阻力）及推进力（即推力）对飞行器所产生的线性运动效应，旨在确定飞行器能飞得多快、多高、多远及多久。
　　第6章为飞行器的稳定性与操纵性研究，也建立在空气动力学和推进力学的基础理解之上。稳定性与操纵性主要研究作用在飞行器上的空气动力和推力力矩综合作用所引起的角运动。本章对飞行器在其平衡状态受到干扰时的稳定性进行研究，探索不同构型和几何构造等因素对其稳定性所产生的影响并研究贯穿完整飞行过程中控制飞行器的方法。
　　本书整合了诸多地面验证和飞行验证的**案例，并以“地面试验技术”和“飞行试验技术”作为小节进行详细阐述。本书创造性地采用了以试飞员或试飞工程师的视角，引导读者仿佛置身于各式飞机的“驾驶舱”中，体验飞行验证的全过程。通过这种别具一格的叙述方式，读者能够围绕飞行验证技术展开一场深人人心的“飞行”之旅，进而全面、深刻地理解并掌握相关的工程原理、试验技术及飞行数据采集技术。此外，这种叙述方式还有助于增强读者对多种不同类型真实飞机的认知与熟悉度。
　　1.1.2飞行试验技术：熟悉性飞行
　　**个要介绍的飞行试验技术是熟悉性飞行。飞行验证技术是一种精准且标准化的方法，用于在航空航天飞行器的飞行验证、研究和型号评估过程中高效地收集数据。更多有关飞行验证技术过程的详细讨论将在本节后续部分展开。
　　本节将以*特且引人人胜的方式，即亲身体验超声速喷气式飞机飞行，来深人地介绍航空工程。在实施试飞前，特别是面对新型飞机时，试飞工程师（flight test engineer，FTE）通常会在目标飞机上开展熟悉性飞行，顾名思义，熟悉性飞行主要是使试飞工程师熟悉飞机及其飞行环境，要熟悉的范围通常包括飞机的性能、飞行品质、驾驶舱环境、航电系统或者其他特定的验证设备和仪器。本节旨在为后续章节中深人探索的航空航天工程及验证概念奠定基础，因此，仅对熟悉性飞行进行概括性的描述。在熟悉性飞行中，将引出一系列关于航空航天工程和飞行验证的技术问题，为读者在后续章节寻求答案提供了驱动力。
　　本次熟悉性飞行将驾驶如图1.2所示麦道公司（现波音公司）的超声速喷气式战斗机——F/A-18B“大黄蜂”。F/A-18B“大黄蜂”是一款双座、双发的舰载超声速喷气式战斗机，设计用于在航空母舰上起降。几乎所有航空航天器都会以字母和数字命名，我们将在后续解释这些命名规则。图1.3为F/A-18A的三视图。读者可以通过典型的三视图（侧视图、俯视图及前视图）来更好地熟悉航空器。表1.1为麦道F/A-18B“大黄蜂”战斗机的技术参数。后续章节会详细解读参数表中的各类技术细节，例如，“带加力燃烧室的低涵道比涡扇喷气发动机”的定义，以及机翼面积、*大起飞重量或载荷限制的重要性等内容。