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第1章 空天工程领域先驱1

1.1引言1

1.2早期发展2

1.3乔治·凯利爵士（1773—1857）——真正的飞行器鼻祖3

1.4停滞期——1853—1891.8

1.5奥托·利林塔尔（1848—1896）——滑翔机之父10

1.6柏西·皮尔彻（1867—1899）——继承衣钵者12

1.7美国航空学萌芽12

1.8韦尔伯·莱物（1867—1912）与奥维尔·莱特（1871—1948）——实用飞行器之父16

1.9航空三杰——兰利、莱特兄弟与格伦·柯蒂斯22

1.10推进技术难题27

1.11飞得更快更高28

1.12总结与回顾30

第2章 基本原理33

2.1流动气体基本物理量35

2.1.1压力35

2.1.2密度36

2.1.3温度36

2.1.4流速与流线37

2.2空气动力之源38

2.3理想气体状态方程39

2.4物理单位探讨40

2.5比容44

2.6飞行器结构剖析51

2.7空天飞行器结构剖析59

2.8历史事记：NACA与NASA65

2.9回顾与总结67

参考文献68

作业题68

第3章 标准大气理论71

3.1高度的定义72

3.2流体静力方程72

3.3位势高度与几何高度的关系73

3.4标准大气的定义74

3.5气压高度、温度高度与密度高度79

3.6历史事记：标准大气81

3.7总结与回顾83

参考文献84

作业题84

第4章 空气动力学基础86

4.1连续性方程88

4.2不可压缩流和可压缩流89

4.3动量方程91

4.4评述93

4.5热力学基础98

4.6等熵流102

4.7能量方程106

4.8方程小结111

4.9声速112

4.10低亚声速风洞117

4.11空速的测定121

4.11.1不可压缩流123

4.11.2亚声速可压缩流127

4.11.3超声速流132

4.11.4小结136

4.12概念附加说明136

4.12.1可压缩流136

4.12.2等值空速137

4.13超声速风洞和火箭发动机138

4.14压缩性探讨146

4.15黏性流导论147

4.16层流边界层分析152

4.17湍流边界层分析155

4.18表面摩擦的压缩性效应158

4.19过渡160

4.20分离流162

4.21阻力的黏性效应小结165

4.22历史事记：伯努利与欧拉166

4.23历史事记：总压管167

4.24历史事记：第一个风洞169

4.25历史事记：奥斯本·雷诺与雷诺数173

4.26历史事记：普朗特与边界层概念的发展175

4.27总结与回顾177

参考文献180

作业题180

第5章 翼型、机翼与其他空气动力学装置186

5.1引言186

5.2翼型术语187

5.3升力、阻力与力矩系数190

5.4翼型数据194

5.5无限翼展机翼与有限翼展机翼203

5.6压力系数204

5.7根据Cp获取升力系数208

5.8升力系数的压缩性修正210

5.9临界马赫数与临界压力系数212

5.10阻力发散马赫数219

5.11超声速下的激波阻力225

5.12翼型阻力小结232

5.13有限翼展机翼233

5.14诱导阻力计算236

5.15升力斜率的变化242

5.16后掠翼248

5.17襟翼——提高升力的结构257

5.18柱面与球面的空气动力学261

5.19升力的产生——与此相关的几种解释265

5.20历史事记：翼型与机翼270

5.20.1莱特兄弟271

5.20.2英国翼型与美国翼型（1910—1920）271

5.20.3 1920—1930.272

5.20.4早期NACA4位数翼型272

5.20.5后期NACA翼型273

5.20.6现代翼型工程273

5.20.7有限翼展机翼274

5.21历史事记：恩斯特·马赫与马赫数275

5.22历史事记：首次载人超声速飞行277

5.23历史事记：X-15——首架载人高超声速飞行器并向航天飞机迈进280

5.24总结与回顾282

参考文献284

作业题284

第6章 影响飞行器性能诸要素288

6.1引言：升阻系数曲线288

6.2运动方程292

6.3水平非加速飞行所需推力294

6.4现有推力与最大速度300

6.5水平非加速飞行所需动力301

6.6现有动力与最大速度305

6.6.1往复式发动机与螺旋桨组合305

6.6.2喷气式发动机306

6.7高度对所需动力与现有动力的影响307

6.8爬升率314

6.9滑翔飞行319

6.10绝对升限与实用升限321

6.11爬升时间325

6.12航程与续航时间：螺旋桨飞机326

6.12.1物理因素327

6.12.2定量公式327

6.12.3布拉奎特公式（螺旋桨飞机）329

6.13航程与续航时间：喷气式飞机332

6.13.1物理因素332

6.13.2定量公式333

6.14 CD，O与CD，i之间的关系335

6.15 起飞性能342

6.16着陆性能346

6.17转弯飞行与V-n图表348

6.18加速爬升率（能量法）353

6.19超声速飞行器专题探讨357

6.20无人飞行器359

6.21微型飞行器365

6.22概念飞行器设计原理367

6.23评述369

6.24历史事记：减少阻力——NACA整流罩与整流片369

6.25历史事记：飞行器性能的早期预测372

6.26历史事记：布拉奎特及其航程公式373

6.27历史事记：飞行器设计——演变与革新373

6.28总结与回顾377

参考文献380

作业题380

第7章 稳定与控制原理384

7.1引言384

7.2稳定与控制的定义388

7.2.1静态稳定性388

7.2.2动态稳定性388

7.2.3控制389

7.2.4偏导数390

7.3飞行器所受力矩390

7.4绝对攻角391

7.5静态纵向稳定性标准392

7.6定量讨论：机翼对Mcg的影响396

7.7机尾对Mcg的影响398

7.8重力中心的总俯仰力矩400

7.9静态纵向稳定性方程402

7.10中性点403

7.11静态稳定裕度404

7.12静态纵向控制概念407

7.13升降舵角调整计算410

7.14固定驾驶杆静态稳定性与自由驾驶杆静态稳定性411

7.15 升降舵铰链力矩412

7.16自由驾驶杆静态纵向稳定性413

7.17定向静态稳定性416

7.18静态横向稳定性417

7.19评述419

7.20历史事记：莱特兄弟与欧洲稳定及控制理论419

7.21历史事记：飞行控制的发展420

7.22历史事记：“高速自动俯冲趋势”难题421

7.23总结与回顾422

参考文献423

问题423

第8章 空天飞行理论（航天学）424

8.1引言424

8.2微分方程428

8.3拉格朗日方程429

8.4轨道方程431

8.4.1受力与能量431

8.4.2运动方程432

8.5空天飞行器轨迹——基本介绍434

8.6开普勒定律439

8.7活力（能量）方程442

8.8轨道机动446

8.8.1平面变化446

8.8.2轨道转移：单脉冲转移与霍曼转移450

8.9行星际轨道456

8.9.1双曲线轨道456

8.9.2影响范围457

8.9.3日心轨道457

8.9.4圆锥曲线拼接法458

8.9.5引力辅助飞行轨道458

8.10地月转移461

8.11航天器姿态控制463

8.12地球与行星进入简介463

8.13指数大气465

8.14大气进入运动基本方程465

8.15 弹道式进入应用467

8.16进入加热471

8.17利用升力进入大气层——应用于航天飞机476

8.18历史事记：开普勒479

8.19历史事记：牛顿与重力定律480

8.20历史事记：拉格朗日481

8.21历史事记：无人航天器482

8.22历史事记：载人航天器485

8.23总结与回顾486

参考文献488

作业题489

第9章 推进理论491

9.1引言491

9.2螺旋桨493

9.3往复式发动机497

9.4喷气推进理论——推力方程503

9.5涡轮喷气发动机506

9.5.1大推力涡轮喷气发动机509

9.6涡轮风扇发动机511

9.7冲压式喷气发动机512

9.8火箭发动机515

9.9火箭推进剂——简介519

9.9.1液体推进剂519

9.9.2固体推进剂521

9.9.3评述522

9.10火箭方程523

9.11火箭分级524

9.12航天器轨迹机动推进剂要求527

9.13电推进529

9.13.1电离子推进器529

9.13.2磁等离子流体动力推进器529

9.13.3电弧推进器530

9.13.4评述530

9.14历史事记：早期推进器的发展531

9.15 历史事记：航空用内燃机的早期发展532

9.16历史事记：早期喷气机发明者534

9.17历史事记：火箭发动机的早期历史536

9.18总结与回顾539

参考文献540

作业题541

第10章 高超声速飞行器543

10.1引言543

10.2高超声速流的物理属性545

10.2.1薄激波层545

10.2.2熵层546

10.2.3黏性干扰效应547

10.2.4高温效应547

10.2.5低密度流549

10.2.6概括550

10.3高超声速流中体现的牛顿定律550

10.4关于高超声速飞行器的评述554

10.5总结与回顾558

参考文献559

习题559

附录1标准大气压，国际单位制561

附录2标准大气压，英国工程单位制575

附录3单位符号和换算因数585

附录4翼型数据586

作业题答案600

索引602