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內(nèi)容簡介

　　前言在飛行器設(shè)計過程中，彈道專業(yè)是聯(lián)系總體、氣動、制導(dǎo)、控制、載荷等多個學(xué)科的橋梁和紐帶，飛行器的射程、精度、機(jī)動能力、突防能力等關(guān)鍵指標(biāo)都需要彈道專業(yè)的參與。一方面，彈道設(shè)計是飛行器設(shè)計過程中不可或缺的專業(yè)，另一方面，彈道仿真參與飛行器設(shè)計的多個方面，控制、制導(dǎo)、突防等子系統(tǒng)的設(shè)計都離不開彈道仿真。航天動力學(xué)軟件是航天動力學(xué)理論與工程實(shí)踐聯(lián)通的橋梁，可以顯著提高航天任務(wù)分析設(shè)計效率和水平。在彈道設(shè)計與仿真工具方面，國外已經(jīng)形成了一批成熟的航天動力學(xué)軟件，如側(cè)重于任務(wù)仿真分析的STK、FreeFlyer等軟件，以及側(cè)重于航天器軌跡優(yōu)化的POST、ASTOS等軟件。這些軟件成熟度和可靠性高，廣泛應(yīng)用于多個航天任務(wù)中。時至今日，航天動力學(xué)軟件已經(jīng)成為航天任務(wù)分析與設(shè)計中不可缺少的關(guān)鍵工具。但這些軟件大部分是解決航天器軌道方面的設(shè)計、仿真和優(yōu)化問題，主要涉及的是大氣層外航天動力學(xué)問題，且這些軟件多對我國限制或禁運(yùn)。近年來，國內(nèi)在航天動力學(xué)理論研究與工程應(yīng)用方面均有長足發(fā)展，但成熟的航天動力學(xué)軟件特別是針對彈道計算與仿真方面的軟件幾乎還是空白，當(dāng)前我國高等院校及軍工研究所的相關(guān)研究人員仍主要采用MATLAB/Simulink、C/C++、Fortran等編程語言編制程序進(jìn)行彈道設(shè)計與仿真。讓國內(nèi)的設(shè)計人員用上成熟、可靠且不受制于人的航天動力學(xué)軟件，是我們開發(fā)FlightSim軟件和撰寫本書的出發(fā)點(diǎn)。 FlightSim軟件由北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院陳萬春教授團(tuán)隊成員李佳峰博士于2004年讀研階段著手開發(fā)，在各方面相關(guān)人士的幫助與支持下，經(jīng)過十多年的研制、推廣與應(yīng)用，該軟件目前已升級成面向飛行器設(shè)計與仿真的開放性設(shè)計環(huán)境，可以用于解決飛行器通用彈道設(shè)計與仿真、控制系統(tǒng)設(shè)計與驗(yàn)證、總體方案快速協(xié)同設(shè)計、多彈協(xié)同彈道規(guī)劃與仿真等一系列問題。FlightSim軟件中的彈道計算工具提供了一套彈道模型的可視化設(shè)計方法，其操作簡單，易于上手，設(shè)計人員通過簡單的選取和輸入即可完成彈道模型搭建，并且可以將公知的和一些重復(fù)使用的模型單元統(tǒng)一封裝，并預(yù)留通用的輸入輸出接口，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“搭積木”式彈道建模，大大提高了彈道模型的設(shè)計效率。全書共分8章。第1章FlightSim軟件概述，介紹了FlightSim軟件的基本原理、特點(diǎn)及功能，并與其他常用軟件進(jìn)行了比較。第2章FlightSim軟件入門與基本概念，介紹了FlightSim軟件的運(yùn)行規(guī)則、運(yùn)算次序、坐標(biāo)系定義、地球模型、姿態(tài)方式、使用單位、默認(rèn)變量等內(nèi)容。第3章程序設(shè)計基礎(chǔ)，主要講述FlightSim軟件函數(shù)使用方法，包括數(shù)學(xué)運(yùn)算、向量運(yùn)算、矩陣操作等；介紹了繪圖功能、讀寫功能等函數(shù)的具體使用方法。第4章軟件接口與擴(kuò)展，介紹了軟件對外的接口和擴(kuò)展功能，主要針對C/C++和MATLAB兩種軟件，以實(shí)例的形式詳細(xì)講述了自定義接口函數(shù)的使用方法和步驟。第5章氣動建模，針對軟件專門開發(fā)的氣動建模工具，詳細(xì)介紹了氣動建模工具的計算原理及內(nèi)部變量名稱；針對二維、多維、混合等不同格式氣動數(shù)據(jù)，講述了氣動建模的具體過程；介紹了氣動建模中經(jīng)常使用的小功能，包括氣動數(shù)據(jù)擴(kuò)展、限幅、合成等；對氣動數(shù)據(jù)分析相關(guān)工具進(jìn)行了詳細(xì)描述，包括氣動配平、偏導(dǎo)數(shù)分析、升阻比計算等。第6章彈道計算，詳細(xì)講述了彈道計算工具中各個模塊的使用方法和步驟；介紹了飛行環(huán)境設(shè)置方法，包括初始條件設(shè)置、大氣模型設(shè)置、地球模型設(shè)置、輸出變量設(shè)置等；講解了彈道計算過程中需要使用的不同學(xué)科的創(chuàng)建方法，包括推力、控制、氣動、質(zhì)量、目標(biāo)、時間、風(fēng)場等學(xué)科；描述了彈道設(shè)計結(jié)果輸出方法、自動生成報告的步驟和不同彈道版本管理的方法；重點(diǎn)介紹了彈道計算過程中的小技巧，包括消除代數(shù)環(huán)、“復(fù)制”彈道模型、批量彈道計算、彈道調(diào)試等。第7章彈道優(yōu)化與設(shè)計，著重介紹了軟件的彈道分析、蒙特卡洛仿真、優(yōu)化等設(shè)計功能。第8章二維地圖，具體介紹了二維地圖工具的手動和自動繪圖功能；重點(diǎn)介紹了二維地圖工具與彈道計算工具結(jié)合使用進(jìn)行繪圖的詳細(xì)步驟。為了使讀者更好地理解和掌握文中介紹的技巧，并便于對軟件的靈活運(yùn)用，在很多技巧之后附有提示。本書在撰寫過程中得到了許多專家及同行的熱情鼓勵和幫助，也得到了多家軍隊科研院所、航天科研院所和民營航天企業(yè)的鼎力支持，在此一并表示衷心感謝。本書涉及知識面很廣，囊括了飛行器設(shè)計領(lǐng)域的飛行力學(xué)、彈道計算、彈道優(yōu)化、氣動建模、二維地圖等多個專業(yè)，而作者水平有限，書中的缺點(diǎn)和錯誤在所難免，敬請廣大讀者指正。作者2020年5月10日目錄

作者簡介

　　李佳峰，河南洛陽人，高級工程師，飛行器設(shè)計專業(yè)博士后，畢業(yè)于北京航空航天大學(xué)。曾就職于中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院北京宇航系統(tǒng)工程研究所，具備多年飛行器總體設(shè)計工作經(jīng)驗(yàn)。主要研究方向?yàn)閷?dǎo)彈總體設(shè)計與仿真、導(dǎo)彈飛行動力學(xué)與制導(dǎo)控制、多彈協(xié)同制導(dǎo)與仿真、攻防對抗仿真等。常年專注于飛行器設(shè)計相關(guān)學(xué)科一體化設(shè)計仿真軟件FlightSim的開發(fā)與推廣，提出了滿足各類飛行器仿真需求的矩陣式彈道可視化建模方法，擁有多項(xiàng)軟件著作權(quán)和國家發(fā)明專利。

圖書目錄

目錄

第1章FlightSim軟件概述1
技巧1FlightSim通用彈道仿真軟件的特點(diǎn)1
技巧2FlightSim軟件能夠?yàn)橛脩籼峁┦裁垂δ?
技巧3FlightSim軟件與同類軟件的比較4
技巧4FlightSim軟件與MATLAB和C語言軟件的異同點(diǎn)5
技巧5FlightSim軟件彈道計算基本原理6
技巧6在什么地方能夠獲得關(guān)于FlightSim軟件更多的幫助和算例8第2章FlightSim軟件入門與基本概念9
技巧7使用FlightSim軟件進(jìn)行彈道計算需要準(zhǔn)備的專業(yè)知識9
技巧8FlightSim軟件運(yùn)行規(guī)則9
技巧9彈道模型不同學(xué)科的運(yùn)算次序11
技巧10FlightSim軟件中定義的坐標(biāo)系13
技巧11FlightSim軟件中如何設(shè)置坐標(biāo)系14
技巧12FlightSim軟件中如何進(jìn)行坐標(biāo)變換16
技巧13FlightSim軟件中的地球模型18
技巧14設(shè)定不同的姿態(tài)方式18
技巧15FlightSim軟件中使用的單位18
技巧16FlightSim軟件中關(guān)于經(jīng)度和緯度的定義22
技巧17彈道計算工具中默認(rèn)變量有哪些23第3章程序設(shè)計基礎(chǔ)26
技巧18如何進(jìn)行代碼編輯26
技巧19運(yùn)行用戶代碼27
技巧20如何調(diào)試代碼28
技巧21簡單的數(shù)學(xué)運(yùn)算29
技巧22向量運(yùn)算30
技巧23矩陣操作31
技巧24繪制簡單曲線34
技巧25繪制多條曲線35
技巧26從文件讀入信息37
技巧27將內(nèi)容保存到文件中39
技巧28在解決方案中自定義函數(shù)40
技巧29查看所有函數(shù)的說明40
技巧30代碼編輯過程中激活函數(shù)名提示編輯框42
技巧31如何調(diào)用工具提供的特定函數(shù)42
技巧32編輯函數(shù)過程中激活提示信息45第4章軟件接口與擴(kuò)展47
技巧33如何封裝自定義dll函數(shù)48
技巧34如何調(diào)用自定義dll函數(shù)51
技巧35如何調(diào)試自定義dll函數(shù)53
技巧36與MATLAB軟件的接口函數(shù)有哪些55
技巧37如何實(shí)現(xiàn)三維等復(fù)雜曲線作圖功能56
技巧38如何在FlightSim軟件中使用MATLAB軟件中的參數(shù)62
技巧39外部程序如何調(diào)用FlightSim軟件63第5章氣動建模67
技巧40氣動建模工具支持的氣動系數(shù)名稱67
技巧41氣動建模工具基本計算原理68
技巧42如何對二維氣動數(shù)據(jù)建模70
技巧43如何對多維氣動數(shù)據(jù)建模77
技巧44如何處理多個插值變量循環(huán)格式的氣動插值表79
技巧45如何對混合格式氣動數(shù)據(jù)建模81
技巧46如何處理非方塊格式氣動數(shù)據(jù)建模83
技巧47如何處理總攻角和方位角格式的氣動數(shù)據(jù)86
技巧48如何處理包含總攻角但不包含方位角格式的氣動數(shù)據(jù)90
技巧49如何對氣動數(shù)據(jù)進(jìn)行靜態(tài)擴(kuò)展93
技巧50如何對氣動數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)擴(kuò)展98
技巧51如何對氣動數(shù)據(jù)插值變量進(jìn)行限幅103
技巧52如何處理多個通道氣動數(shù)據(jù)合成問題104
技巧53如何處理不同馬赫數(shù)下氣動數(shù)據(jù)格式不同的情況112
技巧54如何設(shè)置不同飛行段使用不同氣動模型114
技巧55如何處理軸向力系數(shù)修正問題116
技巧56如何查看原始?xì)鈩訑?shù)據(jù)及其變化規(guī)律曲線119
技巧57如何測試已經(jīng)建好氣動模型的正確性121
技巧58如何將多維氣動數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理123
技巧59如何在不改變原始?xì)鈩訑?shù)據(jù)情況下使輸出氣動系數(shù)反號124
技巧60如何設(shè)置氣動數(shù)據(jù)偏差125
技巧61如何處理含有動導(dǎo)數(shù)的氣動模型128
技巧62如何生成配平的氣動數(shù)據(jù)131
技巧63如何分析氣動偏導(dǎo)數(shù)137
技巧64如何分析氣動數(shù)據(jù)的升阻比140第6章彈道計算142
技巧65如何創(chuàng)建彈道計算模型142
技巧66如何設(shè)置飛行器初始條件143
技巧67如何選用用戶自定義的大氣模型145
技巧68如何選用不同的地球模型147
技巧69彈道計算需要用到的參數(shù)應(yīng)該寫在哪里149
技巧70如何設(shè)置彈道計算過程中的輸出變量151
技巧71如何控制彈道計算的過程152
技巧72如何在彈道計算過程中添加事件153
技巧73如何設(shè)置積分算法和計算步長156
技巧74如何創(chuàng)建推力模型157
技巧75如何構(gòu)建控制模型159
技巧76如何引入氣動模型160
技巧77如何創(chuàng)建質(zhì)量模型163
技巧78如何設(shè)置目標(biāo)模型164
技巧79如何考慮風(fēng)對飛行彈道的影響166
技巧80如何構(gòu)建帶有積分環(huán)節(jié)的學(xué)科模型168
技巧81彈道設(shè)計結(jié)果如何保存172
技巧82如何將彈道設(shè)計結(jié)果自動生成報告176
技巧83如何進(jìn)行多輪彈道方案的版本管理179
技巧84如何生成彈道對比報告181
技巧85如何設(shè)置具有慣量積的六自由度模型182
技巧86如何查看彈道仿真結(jié)果曲線184
技巧87如何創(chuàng)建彈道計算模型模板186
技巧88如何消除彈道計算模型中的代數(shù)環(huán)188
技巧89如何利用用戶擴(kuò)展函數(shù)進(jìn)行建模191
技巧90如何使用彈道計算過程中的參數(shù)193
技巧91如何在彈道計算前、中、后進(jìn)行必要的操作195
技巧92如何進(jìn)行偏差彈道計算196
技巧93如何集中管理彈道變量198
技巧94如何快速“復(fù)制”一個相同的彈道計算工具200
技巧95如何處理拋整流罩（頭罩）等問題201
技巧96如何定義彈道相對時序和絕對時序202
技巧97如何在程序設(shè)計中將時序名稱作為判斷條件使用205
技巧98如何在仿真中設(shè)置飛行器位置、姿態(tài)等信息206
技巧99如何進(jìn)行批量彈道仿真和數(shù)據(jù)存儲208
技巧100如何將批量彈道計算結(jié)果保存成不同彈道數(shù)據(jù)文件210
技巧101如何在彈道仿真中考慮典型器件（執(zhí)行機(jī)構(gòu)、慣性器件等）
傳遞函數(shù)特性213
技巧102如何針對自定義模塊進(jìn)行采樣運(yùn)行215
技巧103如何獲取變量前幾個積分步長的值進(jìn)行微分等運(yùn)算218
技巧104彈道計算模型中的特殊變量如何使用219
技巧105如何處理雙脈沖發(fā)動機(jī)模型221
技巧106彈道運(yùn)行過程中如何進(jìn)行調(diào)試222第7章彈道優(yōu)化與設(shè)計225
技巧107如何在彈道模型中設(shè)置輸入和輸出變量225
技巧108如何進(jìn)行蒙特卡洛仿真227
技巧109如何對蒙特卡洛仿真結(jié)果進(jìn)行保存和分析230
技巧110如何進(jìn)行彈道迭代求解236
技巧111如何設(shè)置彈道優(yōu)化模型241
技巧112如何針對導(dǎo)彈設(shè)計射程最遠(yuǎn)的彈道244
技巧113如何針對運(yùn)載火箭設(shè)計能夠入軌的彈道247第8章二維地圖253
技巧114如何打開二維地圖253
技巧115二維地圖中工具欄的功能255
技巧116如何在地圖中進(jìn)行手動繪圖256
技巧117如何從地圖工具中提取某個點(diǎn)的經(jīng)緯度信息260
技巧118如何利用地圖工具測量兩個地點(diǎn)的距離261
技巧119如何在地圖中添加圖層262
技巧120如何在地圖中利用命令自動繪圖264
技巧121如何在二維地圖工具中使用彈道計算工具中的數(shù)據(jù)265
技巧122在地圖工具中繪制星下點(diǎn)軌跡267
技巧123在地圖工具中繪制殘骸落區(qū)269
技巧124如何下載地圖數(shù)據(jù)273
技巧125如何進(jìn)行二維地圖屬性設(shè)置275