航天飞行器再入动力学与制导主要研究飞行器再入地球大气层后的运动及控制规律，是航天器能够安全返回地球的重要保证。本书针对弹头、返回式卫星、飞船、升力式航天器、运载火箭一子级等各类再入器，系统深入地介绍了再入运动建模、运动方程的求解、再入轨道设计与制导、弹道仿真和精度分析等内容。本书共10章，内容主要包括绪论、再入飞行器运动方程及其简化、再入飞行器运动方程的近似解、再入飞行器的最佳弹道、不同飞行器的再入轨道设计及制导方法等。
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主要符号表 xv
第1章 绪论 1
1.1 飞行力学与再入飞行动力学 1
1.1.1 飞行力学的定义与分类 1
1.1.2 飞行力学的作用 4
1.1.3 飞行力学的主要研究手段 5
1.1.4 再入飞行动力学 6
1.2 飞行器再入时的特点 7
1.2.1 弹道导弹弹头再入的特点 8
1.2.2 航天器再入大气层的特点 9
1.3 本书的主要内容 22
第2章 再入飞行器运动方程及其简化 26
2.1 再入运动环境与矢量运动方程 26
2.1.1 地球的运动及形状 26
2.1.2 地球大气 30
2.1.3 再入飞行器矢量形式的动力学方程 38
2.2 常用坐标系及其转换关系 40
2.2.1 坐标系间转换关系的表示法 40
2.2.2 坐标系间矢量导数的关系 46
2.2.3 常用坐标系的定义 47
2.2.4 各坐标系间的转换关系 50
2.3 在返回坐标系建立运动方程 60
2.3.1 返回坐标系中的质心动力学方程 60
2.3.2 飞行器体坐标系中的绕质心动力学方程 68
2.3.3 返回坐标系中的运动方程组 73
2.4 在半速度坐标系建立运动方程 81
2.4.1 半速度坐标系中的质心动力学方程 82
2.4.2 飞行器体坐标系下的绕质心动力学方程 88
2.4.3 半速度坐标系下的运动方程组 89
2.5 运动方程的简化 94
2.5.1 质心的空间运动方程 94
2.5.2 质心的平面运动方程 100
2.5.3 瞬时平衡状态下飞行器姿态角的确定 103
第3章 再入飞行器运动方程的近似解 104
3.1 弹头再入时运动方程的近似解 105
3.1.1 不考虑重力作用时运动方程的近似解 107
3.1.2 考虑重力作用时运动方程的近似解 116
3.2 人造卫星和载人飞船再入时运动方程的近似解 119
3.2.1 小倾角和小升阻比再入时运动方程的简化 119
3.2.2 升阻比等于零时的弹道特性分析 127
3.2.3 升阻比等于常数时的弹道特性分析 128
3.3 罗赫的再入运动近似解理论 131
3.3.1 升阻比为常数时运动方程的近似解 131
3.3.2 再入运动方程的一阶近似解 135
3.3.3 跳跃式再入运动的近似解 140
3.4 升阻比为变数时运动方程的近似解 144
3.5 平衡滑翔弹道运动特性分析 149
3.5.1 飞行状态变量之间的关系 149
3.5.2 飞行弹道特性随速度的变化规律 152
3.5.3 常升阻比下平衡滑翔弹道参数的近似关系 156
3.5.4 小扰动条件下平衡滑翔弹道特性的定性分析 159
第4章 再入飞行器的最佳弹道 163
4.1 平面最佳再入机动弹道的数学模型 164
4.1.1 末速为最大时的数学模型 164
4.1.2 总吸热量为最小时的数学模型 168
4.2 空间最佳再入机动弹道的数学模型 172
4.2.1 落速最大的空间再入机动弹道的数学模型 172
4.2.2 横程最大的空间再入机动弹道的数学模型 181
4.3 最佳弹道的计算方法讨论 187
4.3.1 末速最大的平面再入机动弹道的计算方法 188
4.3.2 总吸热量为最小时平面再入机动弹道的计算方法 193
4.3.3 落速最大的空间再入机动弹道的计算方法 195
4.3.4 横程最大空间再入机动弹道的计算方法 197
4.4 再入机动弹道的工程设计法 200
4.4.1 射程不受限制时末速最大的工程设计法 200
4.4.2 工程设计法得到的弹道与最佳弹道计算结果的比较 210
4.4.3 射程受限制的工程设计法 211
第5章 机动弹头的弹道设计和制导方法 215
5.1 概述 215
5.1.1 弹头概述 215
5.1.2 机动弹头的特点及组成 220
5.2 再入机动弹头速度方向的控制 225
5.2.1 坐标系及其相互间的关系 225
5.2.2 机动弹头的质心运动方程 227
5.2.3 机动弹头的最优导引规律 231
5.2.4 机动弹头速度方向控制的三自由度仿真分析 240
5.3 再入机动弹头落速大小的控制 242
5.3.1 理想速度曲线的设计 243
5.3.2 速度大小控制问题 244
5.4 再入机动弹头速度方向与大小控制的三自由度弹道仿真 248
5.4.1 三自由度弹道仿真的数学模型 248
5.4.2 三自由度弹道仿真计算和分析 251
5.5 再入机动弹头速度方向与大小控制的六自由度弹道仿真 253
5.5.1 六自由度弹道仿真的数学模型 253
5.5.2 六自由度弹道仿真及精度分析 270
第6章 航天器离轨制动段及卫星返回轨道设计 277
6.1 航天器返回再入概述 277
6.1.1 航天器的返回过程 278
6.1.2 航天器再入走廊 284
6.2 航天器离轨制动段轨道设计 288
6.2.1 圆轨道运行且速度冲量最小时推力方向的确定 289
6.2.2 椭圆轨道运行且速度冲量最小时推力方向的确定 294
6.2.3 返回航程最小时推力方向的确定 297
6.2.4 可返回圈的确定 299
6.2.5 离轨制动点的计算 304
6.3 航天器离轨制动制导方法 308
6.3.1 摄动制导方案 308
6.3.2 闭路制导方案 311
6.4 人造地球卫星返回轨道设计 328
6.4.1 轨道设计对卫星总体设计的要求 328
6.4.2 卫星标准返回轨道设计 330
6.4.3 返回轨道误差量和落点误差计算 331
第7章 近地载人飞船返回轨道设计与制导方法 335
7.1 载人飞船返回轨道设计 335
7.1.1 载人飞船轨道设计对总体设计的要求 335
7.1.2 载人飞船的配平飞行 338
7.1.3 载人飞船标准返回轨道的设计原则 341
7.1.4 标准返回轨道设计的数学模型 346
7.1.5 载人飞船标准返回轨道设计 355
7.2 载人飞船返回再入标准轨道制导方法 358
7.2.1 载人飞船返回再入制导方法分类 358
7.2.2 无再入制导时开伞点位置误差和飞船机动能力分析 359
7.2.3 飞船再入的标准轨道制导方法 369
7.2.4 纵向制导律最佳反馈增益系数的确定 372
7.2.5 飞船再入标准轨道制导方法精度分析 382
7.3 载人飞船六自由度轨道仿真及精度分析 385
7.3.1 载人飞船从制动段到着陆段的飞行程序 385
7.3.2 返回再入段姿态控制系统简介 385
7.3.3 返回再入段六自由度轨道仿真的数学模型 394
7.3.4 返回再入段六自由度轨道仿真及精度分析 402
7.4 载人飞船返回再入预测制导方法 405
7.4.1 纵程和横程同时控制的预测制导方法 406
7.4.2 纵程和横程分开的预测制导方法 409
第8章 探月飞船跳跃式返回轨道设计与制导方法 412
8.1 跳跃式返回再入简介 412
8.1.1 跳跃式再入的概念 412
8.1.2 “阿波罗”飞船的再入制导方案 414
8.1.3 “猎户座”飞船的再入制导方案 417
8.1.4 “嫦娥五号”飞船的再入制导方案 420
8.2 跳跃式再入弹道特性分析 423
8.2.1 跳跃式再入飞行阶段的划分 423
8.2.2 跳跃式再入弹道的解析解 423
8.2.3 跳跃式再入弹道特性的数值分析 431
8.3 跳跃式再入标准轨道设计及标准轨道制导方法 435
8.3.1 跳跃式再入的可达域分析 436
8.3.2 标准再入轨道设计 440
8.3.3 开伞点位置误差分析 444
8.3.4 标准轨道制导方法 446
8.4 跳跃式再入数值预测校正制导方法 451
8.4.1 弹道预测与迭代校正算法 451
8.4.2 横程控制方法 460
8.4.3 误差参数辨识方法 465
8.4.4 仿真分析 467
第9章 升力式再入航天器返回轨道设计与制导方法 472
9.1 航天飞机轨道器返回再入情况简介 472
9.1.1 航天飞机的基本情况 473
9.1.2 航天飞机轨道器的再入特点 479
9.1.3 航天飞机轨道器的控制系统 483
9.2 升力式返回再入段标准轨道设计 487
9.2.1 再入轨道设计的数学模型 489
9.2.2 瞬时平面与侧向制导 492
9.2.3 再入走廊的确定 494
9.2.4 再入段的航程估算 497
9.2.5 再入段标准轨道设计 501
9.2.6 再入标准轨道设计仿真 504
9.3 升力式再入标准轨道制导方法 507
9.3.1 标准轨道跟踪制导律设计 507
9.3.2 考虑攻角调制的飞行控制 511
9.3.3 标准轨道制导方法仿真分析 512
9.4 升力式再入预测校正制导方法 516
9.4.1 初始下降段制导方法 517
9.4.2 平衡滑翔段制导方法 518
9.4.3 预测校正制导方法仿真分析 526
9.5 末端能量管理段制导方法 529
9.5.1 末端能量管理段对制导系统的要求 529
9.5.2 末端能量管理段的分段 530
9.5.3 末端能量管理段的制导方法 532
9.5.4 TAEM的仿真 534
第10章 运载火箭垂直回收着陆返回轨迹设计与制导方法 535
10.1 垂直起降运载火箭及试验飞行器发展现状 535
10.1.1 垂直起降运载火箭的工程实践 535
10.1.2 运载火箭垂直回收的关键技术 540
10.2 运载火箭垂直回收返回再入标准轨道设计 542
10.2.1 质心运动方程的建立 543
10.2.2 轨迹设计问题建模 547
10.2.3 仿真分析 552
10.3 运载火箭垂直回收减速段制导方法 554
10.3.1 摄动运动方程的建立 555
10.3.2 轨迹跟踪制导律设计 559
10.3.3 仿真分析 560
10.4 基于凸优化的运载火箭动力着陆段轨迹规划方法 562
10.4.1 凸优化方法简介 563
10.4.2 着陆段轨迹优化问题描述 564
10.4.3 原问题的凸化处理与离散化 566
10.4.4 序列凸优化求解算法 572
10.4.5 仿真分析 574
10.5 基于轨迹在线生成的动力着陆段预测制导方法 578
10.5.1 轨迹在线生成算法设计 579
10.5.2 发动机开机策略的选择 581
10.5.3 基于视加速度补偿的跟踪制导方法 582
10.5.4 仿真分析 584
参考文献 592
附录Ａ 相关常数 599
附录Ｂ 标准大气表（0～120km） 600
附录Ｃ 控制变量为α、β、χ时的偏导数 603
附录Ｄ 控制变量为η、κ时的偏导数 605
附录Ｅ 等地心距摄动状态转移矩阵的解析解 607
附录Ｆ 等角摄动状态转移矩阵的解析解 609
附录Ｇ 状态响应解析解的系数 611
附录Ｈ 有状态约束的最优控制问题的最优性条件 614
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