前 言

翼身融合布局飞行器凭借其隐身性能好、升阻比高、续航时间长等优势，在军用和民用领域均得到广泛应用。翼身融合布局飞行器采用无尾翼结构，机身和机翼一体化设计，带来了气动、隐身、结构等方面的优势，但也面临着航向静不稳定、俯仰阻尼低、纵横耦耦合严重等控制上的挑战。研究翼身融合布局飞行器气动分析、先进控制和风洞试验的技术和方法，对翼身融合布局飞行器的理论研究和工程实践都有重要的意义，也为主动控制技术的工程化实施提供了一种参考解决方案。

中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所（简称气动中心低速所）与清华大学合作，依托气动中心低速所的风洞模型飞行试验技术和设施，围绕翼身融合飞行器的气动布局，将理论研究与风洞试验相结合，解决了翼身融合飞行器风洞试验、气动数据处理、运动学和动力学建模、稳定性和运动特性分析的问题，采用经典控制理论，以及非线性动态逆和反步控制等先进控制技术开展了姿态控制系统的设计，研究了突防路径规划技术和控制可重构技术，并采用风洞模型飞行试验，开展了气动和控制系统的综合试验和验证。

本书是上述研究成果的总结。具体内容如下：

（1）飞机气动布局和翼身融合飞行器的发展。回顾了航空飞行器气动布局和操纵机构的发展，分析了翼身融合飞行器的特点和所面临的技术挑战，综述了翼身融合飞行器飞行控制技术的发展。

（2）翼身融合飞行器的风洞试验。设计并制作了翼身融合飞行器的气动试验模型，研究了风洞试验的技术方法和数据采集的技术，开展了风洞试验，获得飞行器的风洞试验数据。

（3）翼身融合飞行器风洞试验数据的处理。分析了风洞试验数据的构成，提出了翼身融合飞行器气动系数的计算方法，构建了基于风洞数据的气动力数学模型。

（4）基于风洞模型飞行的翼身融合飞行器气动与控制律综合试验技术。采用风洞模型飞行试验设施与技术，实现了翼身融合飞行器带控制律的风洞模型飞行验证。

（5）翼身融合飞行器气动和运动特性建模与分析。分析了翼身融合飞行器气动特性，建立了其动力学和运动学模型，并开展了稳定性等动力学特性的分析。

（6）基于经典控制理论的翼身融合飞行器姿态控制系统设计方法。采用小扰动线性化、模态分解等经典飞行控制方法，研究了姿态控制系统的设计方法，并进行了仿真分析。

（7）基于非线性动态逆的翼身融合飞行器控制律设计方法。采用非线性动态逆，并引入干扰观测器，设计了翼身融合飞行器的姿态控制系统。

（8）基于鲁棒控制技术的翼身融合飞行器控制律设计方法。进一步引入控制理论的最新理论和方法，研究了干扰观测器加反步、干扰观测器加终端滑模控制等方法设计翼身融合飞行器姿态控制的方法。

（9）翼身融合飞行器低空突防轨迹和运动规划方法。针对翼身融合飞行器的突防任务，提出两阶段的突防路径规划方法，并给出了基于遗传算法和电势理论的全局飞行航线优化方法，以及基于动态规划的运动规划方法。

（10）面向气动舵面损伤的控制律重构技术。为提高突防任务的生存率，针对控制舵面的结构损伤与故障，提出了基于控制分配器的控制可重构算法。

本书第 1～3 章由李清、岑飞撰写，第 4～6 章由岑飞撰写，第 7～8 章由聂博文撰写，第 9～10 章由陈之润撰写，第 11～12 章由李清撰写，李清、岑飞完成了全书的统稿工作。

本书可为从事飞行器气动、控制、仿真和试验相关的专业研究人员提供参考，也可作为航空航天工程、控制工程本科生和研究生的教材及教学参考书。

作者

2025 年 7 月于清华园

本书围绕翼身融合飞行器的气动布局，系统性地将理论分析、数值建模与风洞试验相结合，全面阐述了该构型飞行器在气动特性、动力学建模、稳定性分析与飞行控制等方面的关键问题与研究方法。全书内容覆盖从基础理论到前沿技术，不仅深入探讨了翼身融合布局与常规布局的差异，还逐步推进至风洞试验设计、数据精确处理、运动学与动力学模型构建，以及稳定性和运动特性的细致分析。在试验验证方面，本书创新性地引入风洞模型飞行试验方法，实现了气动特性与控制系统的一体化综合验证，有效衔接理论设计与实际飞行性能评估。此外，本书系统介绍了多种控制设计策略，包括基于经典方法的控制增稳系统设计、基于动态逆的先进控制架构，以及进一步结合现代智能控制技术的姿态控制系统，并拓展至突防轨迹规划与可重构控制等应用方向，为读者提供了从气动、动力学到控制的完整技术链路参考。

本书可作为控制科学与工程、航空航天工程专业的教材，也可作为飞行器总体、气动、控制与实验领域的专业参考书。

目录

第 1 章 常规布局飞行器与翼身融合飞行器

1.1 航空飞行器的气动外形和操纵机构

1.2 翼身融合体飞行器的发展

1.3 翼身融合体飞行器的特性和所面临的挑战

1.4 翼身融合体飞行器飞行控制技术的发展

1.5 本章小结

第 2 章 飞行动力学基础

2.1 气体运动的定义和基本定律

2.1.1 大气环境介绍

2.1.2 流体物理特性

2.1.3 气体特性及其流动的基本规律

2.2 飞行器空间运动的表示和坐标变换

2.3 空气动力及其系数

2.4 纵向气动力及气动力矩

2.4.1 飞行器纵向的气动力

2.4.2 升力

2.4.3 飞行器的俯仰力矩

2.5 侧向气动力及气动力矩

2.5.1 侧力

2.5.2 滚转力矩

2.5.3 偏航力矩

2.6 本章小结

第 3 章 飞行器运动学模型和运动分析

3.1 刚体飞行器的运动方程

3.2 刚体飞行器运动方程的简化与线性化

3.2.1 六自由度运动方程的简化

3.2.2 飞机运动方程的线性化

3.3 飞行器的纵向运动分析

3.4 飞行器的横侧向运动分析

3.5 本章小结

第 4 章 翼身融合飞行器风洞试验

4.1 风洞试验介绍

4.1.1 风洞试验的地位和作用

4.1.2 风洞试验的相似准则和选取方法

4.2 翼身融合飞行器气动力风洞试验

4.2.1 常规静动态气动力风洞试验的理论基础

4.2.2 飞机运动分解及风洞试验方法

4.2.3 翼身融合布局气动力试验

4.3 翼身融合飞行器动力学与控制特性风洞试验

4.3.1 动力学与控制特性风洞试验特点

4.3.2 机翼摇滚试验

4.3.3 自由俯仰 _ 翻滚试验

4.3.4 风洞模型飞行试验

4.3.5 尾旋试验

4.4 本章小结

第 5 章 风洞试验数据的处理

5.1 风洞试验数据的构成

5.1.1 传统的气动导数形式

5.1.2 气动力数据库

5.1.3 强迫振动数据与旋转天平数据的组合方法

5.2 气动系数计算

5.2.1 静态测力试验数据处理

5.2.2 动导数试验数据处理

5.2.3 旋转天平试验数据处理

5.3 基于风洞数据的气动力数学模型

5.4 本章小结

第 6 章 翼身融合飞行器风洞模型飞行试验

6.1 风洞模型飞行试验国内外研究现状

6.2 风洞模型飞行试验平台介绍

6.3 风洞模型飞行试验的关键技术及主要问题

6.4 翼身融合飞行器风洞飞行试验的硬件平台

6.5 翼身融合飞行器风洞飞行试验流程

6.6 翼身融合飞行器飞行控制律验证

6.6.1 3_DOF 风洞飞行试验

6.6.2 6_DOF 风洞飞行试验

6.7 翼身融合飞行器闭环操稳特性评估

6.7.1 闭环操稳特性评价

6.7.2 闭环飞行品质评估

6.8 本章小结

第 7 章 翼身融合飞行器的气动和动力学特性分析

7.1 翼身融合布局飞行器基本构成

7.2 翼身融合布局飞行器气动特性分析

7.2.1 数据来源

7.2.2 静态气动特性及分析

7.2.3 舵面效率特性及分析

7.2.4 动态气动特性及分析

7.3 翼身融合飞行器的动力学特性分析

7.3.1 纵向通道配平能力及操稳特性分析

7.3.2 横航向通道配平能力及操稳特性分析

7.4 本章小结

第 8 章 基于经典方法的翼身融合飞行器控制增稳系统设计

8.1 自动飞行控制系统

8.1.1 自动飞行控制系统的组成

8.1.2 自动飞行控制系统的控制方式

8.1.3 自动飞行控制系统的性能要求

8.2 俯仰角控制系统设计

8.2.1 俯仰角控制系统的数学模型

8.2.2 用近似方法来确定控制律参数

k

q

?

和

k

theta;

?

8.3 横航向控制系统设计

8.3.1 滚转角控制系统

8.3.2 侧滑角控制系统

8.3.3 航向控制系统

8.4 翼身融合飞机纵向控制增稳系统设计

8.5 翼身融合飞机横航向控制增稳系统设计

8.6 翼身融合飞机经典控制仿真分析

8.7 本章小结

第 9 章 基于动态逆的翼身融合飞行器控制增稳系统设计

9.1 非线性动态逆控制

9.2 干扰观测器

9.3 BWB 飞行器仿射非线性形式

9.4 BWB 飞行器动态逆控制设计

9.5 仿真结果分析

9.6 本章小结

第 10 章 基于先进控制方法的翼身融合飞行器姿态控制系统设计

10.1 姿态动力学建模

10.2 基于干扰观测器的指令滤波反步控制器设计

10.2.1 固定时间干扰观测器

10.2.2 基于干扰观测器的反步控制

10.3 基于干扰观测器的终端滑模控制器设计

10.4 基于障碍 Lyapunov 函数的终端滑模控制器设计

10.5 仿真分析

10.5.1 非匹配干扰问题

10.5.2 输出约束问题

10.6 本章小结

第 11 章 翼身融合飞行器的突防轨迹规划

11.1 低空突防技术的发展

11.2 大范围飞行航线优化技术

11.2.1 飞行航线的遗传算法优化

11.2.2 飞行航线的电势理论优化

11.3 最优飞行航迹生成算法

11.3.1 DYNAPATH 算法

11.3.2 使用 TF 算法产生纵向参考航迹

11.4 飞行轨迹的动态刷新方法

11.5 参考航线航路点的处理方法

11.6 本章小结

第 12 章 翼身融合飞行器的可重构控制

12.1 可重构飞行控制系统的发展

12.2 舵面和作动器故障建模

12.3 控制分配器的计算方法

12.4 本章小结

参考文献