空间飞行器设计-第4讲

飞⾏⼒学部分知识要点空⽓动⼒学及飞⾏原理课程飞⾏⼒学部分知识要点第⼀讲：飞⾏⼒学基础1.坐标系定义的意义2.刚体飞⾏器的空间运动可以分为两部分：质⼼运动和绕质⼼的转动。

描述任意时刻的空间运动需要六个⾃由度：三个质⼼运动和三个⾓运动3.地⾯坐标系, O 地⾯任意点，OX ⽔平⾯任意⽅向，OZ 垂直地⾯指向地⼼，OXY ⽔平⾯（地平⾯），符合右⼿规则在⼀般情况下。

4.机体坐标系, O 飞机质⼼位置，OX 取飞机设计轴指向机头⽅向，OZ 处在飞机对称⾯垂直指向下⽅，OY 垂直⾯指向飞机右侧，符合右⼿规则5.⽓流（速度）坐标系, O 飞机质⼼位置，OX 取飞机速度⽅向且重合，OZ 处在飞机对称⾯垂直指向下⽅，OY 垂直⾯指向飞机右侧，符合右⼿规则6.航迹坐标系, O取在飞机质⼼处，坐标系与飞机固连，OX轴与飞⾏速度V重合⼀致，OZ轴在位于包含飞⾏速度V在内的铅垂⾯内，与OX轴垂直并指向下⽅，OY轴垂直于OXZ平⾯并按右⼿定则确定7.姿态⾓, 飞机的姿态⾓是由机体坐标系和地⾯坐标系之间的关系确定的：8. 俯仰⾓—机体轴OX 与地平⾯OXY 平⾯的夹⾓，俯仰⾓抬头为正；9. 偏航⾓—机体轴OX 在地平⾯OXY 平⾯的投影与轴OX 的夹⾓，垂直于地平⾯，右偏航为正；10. 滚转⾓—机体OZ 轴与包含机体OX 轴的垂直平⾯的夹⾓，右滚转为正11. ⽓流⾓, 是由飞⾏速度⽮量与机体坐标系之间的关系确定的12. 迎⾓—也称攻⾓，飞机速度⽮量在飞机对称⾯的投影与机体OX 轴的夹⾓，以速度投影在机体OX 轴下为正；13. 侧滑⾓—飞机速度⽮量与飞机对称⾯的夹⾓14. 常规飞机的操纵机构主要有三个：驾驶杆、脚蹬、油门杆，常规⽓动舵⾯有三个升降舵、副翼、⽅向舵15. 作⽤在飞机上的外⼒,重⼒，发动机推⼒，空⽓动⼒16. 重⼒，飞机质量随燃油消耗、外挂投放等变化，性能计算中，把飞机质量当作已知的常量17. 空⽓动⼒中，升⼒，阻⼒，的计算公式，动压的概念。

飞行器设计与工程课程项目
飞行器设计与工程课程项目可以包括以下内容：
1. 飞行器设计理论：学习飞行器设计的基本原理和理论知识，包括气动力学、结构力学、飞行力学等。

2. 飞行器设计软件：学习使用飞行器设计软件，如CATIA、SolidWorks等，进行飞行器的三维建模和设计。

3. 飞行器结构设计：学习飞行器的结构设计，包括机身设计、机翼设计、尾翼设计等，要考虑飞行器的重量、强度和稳定性等因素。

4. 飞行器动力系统设计：学习飞行器的动力系统设计，包括发动机选择和安装、燃料系统设计、推进系统设计等。

5. 飞行器控制系统设计：学习飞行器的控制系统设计，包括飞行器的自动驾驶系统、飞行控制系统、姿态控制系统等。

6. 飞行器系统集成与测试：学习飞行器系统的集成和测试技术，包括对飞行器各个系统进行整合、调试和测试，确保飞行器的性能和安全性。

7. 飞行器性能评估与优化：学习对飞行器的性能进行评估和优化，包括飞行性能、燃料效率、载荷能力等方面的评估和改进。

8. 飞行器项目实践：进行飞行器项目实践，学生可以根据自己的兴
趣和能力选择不同类型的飞行器进行设计和制作，如固定翼飞机、直升机、多旋翼飞行器等。

通过这个课程项目，学生可以深入了解飞行器设计与工程领域的知识和技术，培养飞行器设计和工程实践的能力，为未来从事相关工作或进行进一步研究打下坚实基础。

飞行器设计与工程课程项目作为一名热爱航空事业的学生，我参加了飞行器设计与工程课程项目。

这个项目的目标是培养学生在飞行器设计和工程方面的能力和技术。

通过这个项目，我们将学习飞行器的构造、工作原理以及设计过程中需要考虑的各种因素。

在项目的第一阶段，我们首先学习了飞行器的基本原理。

我们了解了飞行器的结构和各个部件的功能。

飞行器通常由机身、机翼、动力系统和控制系统等部分组成。

机身是飞行器的主体，提供了载荷和机组人员的空间。

机翼是产生升力的关键部件，通过改变机翼的形状和角度来控制飞行器的姿态。

动力系统提供了飞行器所需的推力，通常使用发动机或喷气引擎。

控制系统则负责控制飞行器的飞行方向和姿态。

在了解了飞行器的基本原理后，我们开始进行飞行器设计的实践。

我们组成了小组，每个小组负责设计一个飞行器的原型。

我们首先进行了需求分析，明确了飞行器的用途和性能要求。

然后我们进行了初始设计，包括机身的形状和尺寸、机翼的布局和尺寸、动力系统的选择等。

接着我们使用CAD软件进行了三维建模，并进行了飞行器的气动性能分析。

在设计的过程中，我们还需要考虑到飞行器的重量和平衡。

重量分布的合理性对于飞行器的飞行稳定性和操控性都有很大的影响。

我们通过在设计中合理分配部件的位置和重量，来保证飞行器的平衡性。

我们还需要考虑到飞行器的安全性和可靠性。

飞行器是一种高风险的交通工具，因此安全性是设计过程中的重要考虑因素。

我们需要确保飞行器在各种极端条件下都能保持稳定和安全。

同时，我们还需要进行可靠性分析，预测飞行器的寿命和故障率，以确保飞行器的可靠运行。

整个项目的过程中，我们还进行了多次测试和验证。

我们通过模拟飞行和实际飞行的方式来验证我们的设计是否符合要求。

通过测试，我们可以发现设计中的问题并进行改进。

最终，我们成功地完成了飞行器的设计和工程。

通过参加飞行器设计与工程课程项目，我不仅学到了专业知识和技能，还培养了团队合作和解决问题的能力。

这个项目让我深入了解了飞行器的设计和工程过程，并对航空事业充满了热情。

第二部分高动态环境下捷联惯导系统 姿态算法研究1．引言在常规的捷联惯性导航系统的姿态算法中，总是认为载体坐标系和参考坐标系间的转换是通过一系列的转动来实现的，而这些转动间的次序并不重要，这是基于无限小转动是矢量的原理来得到的。

3-1-2欧拉角转动（1）欧拉角由参考系OXYZ 至载体系b b b Z Y OX 的变换可以通过依次绕不同坐标轴的三次连续转动来定义。

姿态欧拉角的运动学方程：()()⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡−−++=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡θωθωφθωθωφωφθωθωφγθφsin cos sin cos sin cos cos sin cos cos 1x z z x y z x &&&方程中存在三角函数，给实时计算带来困难；且当o90=φ时，方程中出现奇点，使θ、γ的解变得不确定，因而使其使用受到限制，不能用于全姿态飞行器上。

（2）方向余弦阵由参考系OXYZ 至载体系b b b Z Y OX 的姿态矩阵为()()()()γφθθφγz x y C C C C =,,第1次转动： ()⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡−=1000cos sin 0sin cos γγγγγz C第2次转动： ()⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡−=φφφφφcos sin 0sin cos 0001x C第3次转动： ()⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡−=θθθθθcos 0sin 010sin 0cos y C 方向余弦矩阵的微分方程为：Ω=C C& 式中⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡−−−=Ω000xyx zy z ωωωωωω方程的解为：∫+Ω=+1exp 1k kt t k k dt C C（3）四元数四元数是具有四个元素的超复数，它可以描述一个坐标系或一个矢量相对于某一坐标系的旋转⎥⎦⎤⎢⎣⎡=130q q q实数为四元数的标量部分，为四元数的矢量部分。

0q 13q ⎟⎠⎞⎜⎝⎛=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎟⎠⎞⎜⎝⎛=2sin 2cos 321130ϕϕe q q q q q式中，是表示旋转轴方向的单位向量，e ϕ是旋转角。

航天航空 临近空阿临近空同飞押霑卫崔轨道 £ ODD 矗里304,000^.5.导航爭中地lit 轨it(MEO)低地球軌it（LEO ）移动通代“ 2坯里20 - 1DQ 金里1资料来源：产研智库图表临近空间区域划分、临近空间的概念临近空间是指介于普通航空飞行器最高飞行高度和天基卫星最低轨道高度之间的空域。

天基卫星的最低轨道约为 200km,航空飞机的最大飞行高度约为 20km,但从应用上讲，由于100km 以下为临近空间飞行器的主要活动区域，故在国内一般定义临近空间为离地球表面约20-120km 的空域，美军定义为 20-100km 的空域。

过去所称的“近空间”、“亚轨道”、“空天 过渡区”、“亚太空”、“超高空”或“高高空”等区域，都是指临近空间。

、临近空间飞行器综述所谓临近空间飞行器，顾名思义是指能够飞行在临近空间执行特定任务的一种飞行器， 既能比卫星提供更多更精确的信息（相对于某一特定区域） ，并节省使用卫星的费用，又能比通常的航空器减少遭地面敌人攻击的机会。

临近空间飞行器能快速飞行在敌方战区上空而不易被敌方防空监视系统发现，从而为作战指挥官提供不间断的监视情报， 以增强其对战场情况的了解能力。

部署这种高空飞行器，成本低、时间快，适合现代战争的需求。

图表临近空间飞行器的设计思想、特点与关键技术三、临近空间飞行器发展优势民用领域以通信监测领域为例，与卫星相比，临近空间飞行器造价明显低于卫星，载荷能力超过卫星的2倍，延迟时间、衰减更小，且可以多次回收、重复利用。

图表临近空间飞行器与通信卫星的比较优势除此之外，临近空间飞行器还具有一下优势:（一）持续工作时间长。

传统飞机的留空时间以小时为单位，临近空间飞行器的留空时间则以天为单位，目前正在研制的临近空间平台预定留空时间长达6个月，规划中的后续平台预定留空时间可达1年以上，易于长期、不间断地获得情报和数据，可对紧急事件迅速做出响应，而且人员保障少、后勤负担轻。

第一章—绪论1.简述飞行器结构、结构的含义与功能。

答：飞行器结构是能承受和传递载荷并且保持一定强度、刚度和尺寸稳定性的机械系统的总称；机构是使飞行器及其部件完成规定的动作或运动等特殊功能的机械组件。

结构的功能：(1).将弹上设备和部件牢牢结合在一起构成整体，并提供气动外形；(2).为装载、设备和人员（运载火箭等）提供良好的环境条件；(3).承载全寿命周期的各种载荷，并保证飞行器始终正常工作。

机构的功能：(1).连接、固定与释放功能：如分离机构；(2).运动功能：如折叠展开机构；(3).锁定功能：到位后锁紧，完成结构功能。

2.飞行器结构设计的内容与原始条件有哪些？答：飞行器结构设计是根据设计的原始条件，构思和拟定满足各项基本要求的结构方案，进行全部零、部件的设计、分析、实验，最终提供全套可供生产的图纸和相应技术文件的过程。

飞行器结构设计的内容：(1).飞行器结构布局设计：部位安排、分离面、结构形式选择、受力构件布置；(2).选择结构元件参数：在结构布局的基础上，选择并优化结构元件尺寸和材料；(3).结构细节设计：细节精心设计、开孔、连接、圆角、机械和电气接口、口盖等。

飞行器结构设计的原始条件：(1).结构设计任务的总体设计参数：外形、尺寸、质量特性、内部装载物的相关数据与安装要求等；(2).结构的工作环境及其对结构特性的要求：自然环境、力学环境（载荷大小、性质和在结构上的分布等，以及对结构特性的要求）；(3).结构的协调关系以及由此产生的限制要求：外挂、发射装置；(4).飞行器结构的生产条件：产量和生产厂的加工能力、装配能力、工艺水平等。

3.飞行器结构设计的技术要求有哪些？为满足质量特性要求，可采取哪些措施？答：飞行器结构设计的技术要求有6个，如下(1).空气动力学要求—前提性要求：外形准确度要求（同轴度、垂直度、曲线误差、安装角等）、外形的表面质量要求（表面粗糙度、局部凹陷、突出物等）。

(2).结构完整性要求—强度、刚度、可靠性，本质性要求（▲▲）：结构设计应保证结构在承受各种规定的载荷和环境条件下，具有足够的强度、不能产生不能容许的残余变形；具有足够的刚度、满足各项结构动力学性能要求，并达到总体规定的可靠度。

四旋翼自主飞行器设计报告林，张，翁（泉州师范学院物理与信息工程学院，福建泉州362000）摘要：设计四旋翼自主飞行器，使得飞行器自主的从一个指定的区域飞到另外的一个指定区域降落并停机。

四旋翼飞行器具有四个定螺距螺旋桨，可以通过协调各个旋翼的速度来控制飞行器的飞行姿态和飞行速度，而不需要繁杂的桨矩控制部件，而且也可以共享电池、控制电路板等，因此简化了结构，减轻了飞行器重量，可以减少能源消耗。

关键字：四旋翼飞行器；电机；电调一、系统方案1.1方案描述四轴飞行器是一个具有6个自由度和4个输入的欠驱动系统,具有不稳定和强耦合等特点,除了受自身机械结构和旋翼空气动力学影响外,也很容易受到外界的干扰。

无人机的姿态最终通过调节4个电机的转速进行调整,飞行控制系统通过各传感器获得无人机的姿态信息,经过一定的控制算法解算出4个电机的转速,通过I2C接口发送给电机调速器(简称电调),调整4个电机的转速,以实现对其姿态的控制。

姿态控制是整个飞行控制的基础,根据姿态控制子系统的数学模型[4],姿态控制系统需要检测的状态有:无人机在机体坐标系下3个轴向的角速度、角度和相对地面的高度。

飞控系统担负着传感器信息采集、控制算法解算及通信等各种任务,是整个无人机的核心,其主要功能有: (1)主控制器能快速获得各传感器的数据,并对数据进行处理; (2)传感器实时检测无人机的状态,包括姿态、位置、速度等信息; (3)主控制器能与PC机进行数据交换;(4)系统能进行无线数据传输。

根据四轴飞行器实际的飞行需求,飞行控制系统一般包含主控制器、各传感器模块,通信模块和电源模块等。

其中主控制器采集各传感器的信息,通过控制算法求解出4个电机的转速,通过I2C接口发送给电调;惯性测量单元检测无人机3个轴向的角速度和加速度;高度传感器检测无人机的高度;无线数传模块用于传送控制指令,也可以在调试时用于传输传感器数据;电源模块为各传感器和主控制器提供电源。

《空间飞行器飞行动力学》课程教学大纲课程编码： T1180230课程中文名称：空间飞行器飞行动力学课程英文名称：SPACECRAFT DYNAMICS总学时：50 讲课学时：50 实验学时：0习题学时：0 上机学时：0学分：3授课对象：飞行器设计专业、空间环境专业本科生先修课程：高等数学、普通物理、理论力学、自动控制理论教材及参考书：《空间飞行器动力学》，刘暾. 赵钧，哈尔滨工业大学出版社《空间飞行器动力学与控制》，M．H．卡普兰一、课程教学目的《空间飞行器动力学》是一门航天工程专业学生的专业基础课。

本课程主要研究空间飞行器动力学的基本概念、原理和应用，包括轨道动力学和姿态动力学两大部分，其主要任务是培养学生：建立空间飞行器动力学的基本概念，理解飞行器的运动与受力之间的关系，掌握空间飞行器动力学问题的基本分析方法；掌握应用空间飞行器动力学的基本理论，解决一般的空间飞行器动力学应用问题的基本技能；了解空间飞行器动力学理论、方法及其应用的最新发展；掌握使用相关的参考文献、计算机应用软件进行动力学问题研究分析的能力；《空间飞行器动力学》是高等工科院校中航天工程类专业的一门主要课程。

通过该课程的学习，学生可以初步掌握解决空间飞行器动力学问题的基本方法和技能，并了解其他空间飞行器应用问题的动力学依据，为日后从事空间飞行器的动力学及其他的空间飞行器应用专业的研究工作奠定初步的理论基础。

二、教学内容及基本要求轨道动力学部分(上篇)第一章绪论（1学时）概论，齐奥尔科夫斯基公式，单级火箭的极限速度。

第二章空间飞行器的入轨（1学时）运载火箭的运动方程式，纵向平面内的动力学方程，运载火箭导引规律。

第三章空间飞行器的轨道（4学时）两体运动方程的建立、求解，中心引力场中的运动，四种基本轨道的轨道方程、特性及时间方程。

第四章轨道的建立和星下点轨迹（2学时）空间飞行器轨道建立的方法，轨道要素与发射参数的关系，星下点轨迹的描述。

四旋翼飞行器结构和原理1.结构形式旋翼对称分布在机体的前后、左右四个方向，四个旋翼处于同一高度平面，且四个旋翼的结构和半径都相同，四个电机对称的安装在飞行器的支架端，支架中间空间安放飞行控制计算机和外部设备。

结构形式如图所示。

2.工作原理四旋翼飞行器通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。

四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直升降机，但只有四个输入力，同时却有六个状态输出，所以它又是一种欠驱动系统。

四旋翼飞行器的电机 1和电机 3逆时针旋转的同时，电机 2和电机 4顺时针旋转，因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。

在上图中，电机 1和电机 3作逆时针旋转，电机 2和电机 4作顺时针旋转，规定沿 x轴正方向运动称为向前运动，箭头在旋翼的运动平面上方表示此电机转速提高，在下方表示此电机转速下降。

（1）垂直运动：同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升；反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿 z轴的垂直运动。

当外界扰动量为零时，在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时，飞行器便保持悬停状态。

（2）俯仰运动：在图（b）中，电机 1的转速上升，电机 3 的转速下降（改变量大小应相等），电机 2、电机 4 的转速保持不变。

由于旋翼1 的升力上升，旋翼 3 的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕 y 轴旋转，同理，当电机 1 的转速下降，电机 3的转速上升，机身便绕y轴向另一个方向旋转，实现飞行器的俯仰运动。

（3）滚转运动：与图 b 的原理相同，在图 c 中，改变电机 2和电机 4的转速，保持电机1和电机 3的转速不变，则可使机身绕 x 轴旋转（正向和反向），实现飞行器的滚转运动。

（4）偏航运动：旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了克服反扭矩影响，可使四个旋翼中的两个正转，两个反转，且对角线上的各个旋翼转动方向相同。