飛行力學(北京理工大學建設的慕課)

飛行力學課程是北京理工大學建設的慕課。該課程於2019年12月30日首次在中國大學MOOC開課，授課老師為林海、唐勝景、王曉芳。據2023年3月中國大學MOOC官網顯示，該課程已開課8次。

該課程共八章，包括飛行力學常用坐標系定義及變換、作用在飛行器上的力和力矩、飛行器運動建模及簡化、方案彈道分析與設計等內容。

基本介紹

• 中文名：飛行力學
• 授課教師：林海、唐勝景、王曉芳
• 類別：慕課
• 授課平台：中國大學MOOC
• 開課時間：2019年12月30日（首次）
• 建設院校：北京理工大學

課程性質

課程背景

飛行力學是作為研究飛行器運動規律的一門學科，是聯繫飛行器總體、制導與控制、氣動外形與布局、發射與動力裝置等相關技術的橋樑和紐帶，是研究和設計飛行器的理論基礎。

課程定位

本課程是航空航天類專業的核心課程。

開課信息

開課次數	開課時間	授課教師	學時安排	參與人數
第1次開課	2019年12月30日 ~ 2020年04月30日	林海、唐勝景、王曉芳	2小時每周	3796人
第2次開課	2020年05月11日 ~ 2020年07月31日		3小時每周	1859人
第3次開課	2020年10月12日 ~ 2021年01月02日		4小時每周	1031人
第4次開課	2021年02月22日 ~ 2021年05月14日			1009人
第5次開課	2021年09月06日 ~ 2021年11月26日			879人
第6次開課	2022年09月05日 ~ 2022年11月25日			696人
第7次開課	2022年09月05日 ~ 2022年11月25日			598人
第8次開課	2023年02月20日 ~ 2023年05月12日			待定

課程簡介

該課程共8個章節。第一章節主要是了解飛行力學在飛行器設計和研製中的作用，飛行力學的理論基礎、不同階段的研究目的、研究方法、發展現狀與趨勢。了解課程預期學習成果、課程特點等相關概況。第二章節主要是掌握飛行力學常用坐標系的定義和轉換方法，了解作用在飛行器上的力和力矩的來源、特點和作用，利用坐標旋轉變換方法對作用在飛行器上的力和力矩在不同坐標系中進行投影變換，理解瞬時平衡假設的意義，能用右手法則判定飛行力學常用角度與力矩的正方向。第三章節主要是掌握飛行器數學模型的建立以及在特定條件下的簡化方法。理解機動性、過載的概念，掌握過載與機動性、過載與飛行器運動、過載與曲率半徑之間的關係。第四章節主要是掌握方案彈道設計的基本方法，能夠根據任務要求設計鉛垂平面方案彈道和水平面內的方案彈道。第五章節主要是掌握用運動學方法分析導引彈道的必要性、假設條件和相應的方法。能夠建立相對運動模型，掌握幾種古典制導律——追蹤法、平行接近法、比例導引法、三點法、前置量法和半前置量法的概念、彈道特性和優缺點，掌握分析制導律的方法。第六章節主要是明確飛行器動態特性的研究內容，理解穩定性和操縱性的概念。掌握飛彈運動方程組的線性化方法、擾動運動可分為縱向擾動運動和側向擾動運動的條件和意義。理解係數凍結法的概念和意義。總體上掌握分析飛行器動態特性的方法。第七章節主要是分析了解動力係數的引入，能夠基於自由擾動運動方程組分析縱向擾動運動的穩定性、組成及特點。能夠基於非齊次縱向擾動運動方程組和經典控制理論，推導飛行器的傳遞函式，分析飛行器的操縱性。第八章節主要理解面對稱飛行橫側向擾動運動的特點，掌握分析方法。能夠基於自由擾動運動方程組分析橫側向擾動運動穩定性和組成，掌握用側向穩定邊界圖分析飛行器側向穩定性的方法。

課程大綱

第一章 緒論 緒論（上）——飛行力學概述 緒論（下）——課程概況 第二章 作用在飛行器上的力和力矩 常用坐標系的定義 常用坐標系之間的關係 坐標系轉換的常用方法及規則 常用坐標系之間的直接變換、逆變換與間接變換 作用在飛行器上的力 空氣動力矩概述 定態飛行與瞬時平衡假設 縱向靜穩定力矩與靜穩定性 俯仰操縱力矩與靜穩定性 偏航力矩與滾轉力矩 用右手法則確定角度和力矩的正方向 第三章 飛行器運動的數學模型 變質量系的動力學基本方程 動力學方程 運動學方程 質量變化方程和幾何關係方程 控制關係方程 飛行器的縱向運動和側向運動 飛行器的平面運動 飛行器的質心運動 飛行器的機動性和過載 第四章 方案飛行彈道 概述 爬升與下滑段的方案飛行 平飛段方案飛行

第五章 導引彈道運動學分析 導引彈道概述 相對運動方程 追蹤法 平行接近法 比例導引 三點法 前置量法和半前置量法 最優制導律 協同制導律 第六章 飛行器動態特性的研究方法 概述 小擾動假設及線性化 空氣動力及力矩線性化 飛彈運動方程組線性化 縱側向擾動運動方程組分解 第七章 飛行器縱向動態特性 縱向擾動運動方程組與動力係數 動力係數的物理意義及擾動運動的矩陣形式表達 特徵方程及其根的特性 特徵方程根與自由擾動運動的穩定性 霍爾維茨準則與飛行彈道穩定性 長周期運動與短周期運動以及特根方程根的近似計算 自由擾動運動分為兩個階段 短周期擾動運動方程組的建立 飛行器縱向傳遞函式的建立 穩定性與運動穩定性分析 操縱機構階躍偏轉時的操縱性分析 第八章 飛行器橫側向動態特性 橫側向擾動運動方程組 特徵方程及其根的形態 橫側向自由擾運動的一般特性 橫側向穩定邊界圖的繪製 橫側向運動穩定性分析 面對稱型飛行器的氣動外形設計

教學目標

能在飛行器的不同設計階段選擇和建立適當的數學模型描述飛行力學相關問題，選擇合適的方法進行求解，並能理解模型、方法和結果的局限性。

能夠綜合考慮目標特性、飛行器的可用過載和戰術技術指標要求設計方案彈道，並對不同的飛行方案進行分析和評價。

掌握追蹤法、比例導引法、三點法等典型導引規律的概念、彈道特性以及優缺點，能夠對導引規律和導引彈道進行分析、設計和評價。

掌握飛行器動態特性的分析方法，並能夠套用數學、自動控制原理相關理論，結合飛行器的氣動、布局、飛行狀態，分析常見固定翼飛行器的穩定性和操縱性，能綜合運用多學科知識對飛行器的動態品質進行分析和評價。

課程特色

（1）課程集中體現了多學科知識、原理、方法的綜合運用，可用於培養學生運用多學科知識解決複雜工程問題的能力。

（2）課程採用了“課程-教材-參考書”一體化設計，通過“教師視頻講授、教材輔助自學、項目引導探索”相結合的模式，學習者可以結合自己的實際情況，進一步拓寬和加深學習的廣度和深度。

學習預備

預備知識

理論力學、自動控制理論、複變函數與積分變換、空氣動力學、飛行器系統概論。

學習資料

作者	書籍名稱	出版社	出版時間
錢杏芳，林瑞雄，趙亞男	《飛彈飛行力學》	北京理工大學出版社	2003年
林海，王曉芳	《飛行力學數值仿真》	北京理工大學出版社	2018年
唐勝景，郭傑，李響等	《飛行器系統概論》	國防工業出版社	2012年
張有濟	《戰術飛彈飛行力學設計》	宇航出版社	1998年
嚴恆遠	《飛行器氣動特性分析與工程估算》	西北工業大學出版社	1990年
Paul Zarchan	《Tactical and Strategic Missile Guidance》	American Institute of Aeronautics and Astronautics	1994年
李新國，方群	《有翼飛彈飛行動力學》	西北工業大學出版社	2005年
蔡洪，胡正東，曹淵	《具有終端角度約束的導引律綜述》	宇航學報	2010年

作者	期刊名稱	出版社	出版時間
Xiaofang Wang，Yiyu Zheng，Hai Lin	《 Integrated guidance and control law for cooperative attack of multiple missiles》	Aerospace Science and Technology	2015年
Wang X F*, Zhang Y W, Liu D Z, and He M	Three-dimensional Cooperative Guidance and Control Law for Multiple Reentry Missiles with Time-varying Velocities》	Aerospace Science and Technology	2018年

教師簡介

林海，1967年生於四川省武勝縣。北京理工大學珠海校區幹部，博士，教授。

唐勝景，北京理工大學宇航學院航空宇航科學與技術學科教授、博士生導師，精工書院責任教授，德國慕尼黑工業大學博士。

王曉芳，博士，副教授，北京市課程思政教學名師。北京理工大學副教授。