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第一篇 空中加油简介1

第一章 空中加油技术的意义与发展1

1.1 战略意义1

1.1.1 遗憾错过第二次世界大战1

1.1.2 现代空战显神威3

1.1.3 空中加油技术的作用7

1.2 起源与发展8

1.2.1 “不可思议”的登场9

1.2.2 英、美合作发展历程11

1.2.3 苏联另辟蹊径17

1.2.4 我国发展之路25

1.2.5 不可思议的加油瞬间26

第二章 空中加油技术分类31

2.1 空中加油基本形式31

2.1.1 软管锥套式（简称软式）31

2.1.2 伸缩套管式（简称硬式）32

2.1.3 混合式33

2.2 伙伴式空中加油33

2.3 直升机空中加油34

2.3.1 作用与发展情况34

2.3.2 难点和结构差异36

2.3.3 加油设备简介37

2.3.4 加油基本过程38

2.4 无人机自主空中加油39

2.4.1 NASA软式自主空中加油40

2.4.2 美国空军硬式自主空中加油45

2.4.3 美国海军自主高空加油计划46

2.4.4 史上首次无人机自主加油对接47

2.5 空中加油的基本过程47

第三章 空中加油机及其系统组成50

3.1 世界各国主要空中加油机50

3.1.1 美国50

3.1.2 俄罗斯54

3.1.3 英国56

3.1.4 欧洲空中客车公司57

3.1.5 其他国家58

3.1.6 空中加油机应该造多大60

3.2 典型空中加油机的系统组成61

3.2.1 伊尔-78系列空中加油机61

3.2.2 KC-135空中加油机62

3.2.3 KC-10空中加油机68

3.2.4 新型空中加油机的发展趋势75

3.3 软管锥套式空中加油系统79

3.3.1 软式加油吊舱79

3.3.2 机身软式加油平台83

3.3.3 受油插头与变阻力锥套87

第四章 常见空中加油事故分析90

4.1 加、受油机近距气动耦合90

4.1.1 加油机尾流影响90

4.1.2 受油机头波影响91

4.2 人为原因或飞控系统缺陷92

4.2.1 飞行员紧张心理92

4.2.2 飞行员操纵技术欠缺92

4.2.3 受油机飞控系统设计缺陷93

4.3 加受油设备安全性缺陷94

4.3.1 燃油喷溅94

4.3.2 软管甩鞭现象95

4.3.3 软管意外脱落96

第二篇 空中加油流场环境98

第五章 空中加油流场分析98

5.1 大气扰动98

5.1.1 紊流98

5.1.2 阵风100

5.1.3 大气扰动对受油机的影响101

5.2 空中加油机尾流概述102

5.2.1 空中加油机尾流的组成102

5.2.2 尾流研究方法104

5.3 受油机机头头波概述107

第六章 加油机尾流数学模型109

6.1 发展之初的尾流速度模型109

6.1.1 附着涡系产生的诱导速度109

6.1.2 尾涡系产生的诱导速度110

6.1.3 马蹄涡模型的尾流速度111

6.2 尾涡对形成后的尾流速度模型112

6.3 加油过程中的尾流速度模型113

6.3.1 受油机飞行区域113

6.3.2 中间区域的尾流速度模型114

6.4 尾流对受油机的等效气动作用118

6.4.1 受油机上的尾流速度分布118

6.4.2 尾流等效气动效应计算120

6.4.3 等效气动效应法原理证明123

6.4.4 等效气动效应法有效性验证124

第七章 加油机尾流CFD模拟127

7.1 计算流体力学基础127

7.1.1 纳维-斯托克斯（N -S）方程组128

7.1.2 流体与流动的基本特性128

7.1.3 湍流模拟方法129

7.2 KC-135加油机三维模型建立132

7.2.1 三维建模方法分析132

7.2.2 KC-135各部件的建模与组装134

7.3 加油机尾流数值模拟方法研究136

7.3.1 尾流数值模拟预处理136

7.3.2 不同CFD方案模拟结果对比分析140

7.3.3 方法精确性验证145

7.4 加油机整机尾流场数值模拟及验证148

7.4.1 整机尾流场数值模拟148

7.4.2 尾流场精确性验证149

7.5 加油机整机尾流特性分析150

7.5.1 尾流场几何特性150

7.5.2 尾流场速度特性153

7.6 基于尾流数值模拟的受油机气动影响建模159

7.7 受油机头波效应CFD模拟162

7.7.1 受油机三维模型建立162

7.7.2 数值计算及方法验证163

7.7.3 受油机头波流场特性分析164

第三篇 空中加油系统动力学模型169

第八章 变质量飞行器动力学模型169

8.1 数学预备知识169

8.1.1 矢量点乘与叉乘169

8.1.2 坐标旋转变换171

8.1.3 矢量微分172

8.2 受油机动力学建模173

8.2.1 常用坐标系173

8.2.2 外力和外力矩174

8.2.3 变质量运动方程180

8.2.4 运动方程的线性化190

8.3 数值仿真195

8.3.1 LQR航迹控制器设计195

8.3.2 仿真分析196

第九章 软式加油设备动力学建模与控制202

9.1 软管锥套组合体动力学建模202

9.1.1 建模假设与坐标定义202

9.1.2 运动学分析203

9.1.3 动力学分析204

9.1.4 外力分析205

9.2 软管卷盘响应控制原理207

9.2.1 恒力弹簧响应控制原理与缺陷分析207

9.2.2 电机驱动与控制目标转换208

9.3 基于指令滤波反推—滑模的甩鞭抑制方法209

9.3.1 PMSM指令滤波反推—滑模转角控制律设计209

9.3.2 工作域的稳定性证明212

9.4 数值仿真213

9.4.1 静态特性仿真213

9.4.2 头波影响下的锥套运动规律218

9.4.3 软管甩鞭现象222

9.4.4 PMSM指令滤波反推—滑模甩鞭现象抑制228

第十章 硬式加油设备动力学建模与控制232

10.1 伸缩套管建模232

10.1.1 扰动分析233

10.1.2 大气扰动下的数学模型233

10.2 伸缩套管H∞控制律241

10.2.1 控制律设计原理241

10.2.2 不确定性建模241

10.2.3 H∞俯仰控制律242

10.2.4 H∞滚转控制律243

10.3 数值仿真244

10.3.1 鲁棒稳定性分析244

10.3.2 鲁棒性能分析245

第四篇 人工空中加油飞行控制248

第十一章 气动特性分析与控制结构规划248

11.1 气动特性分析249

11.1.1 纵向气动特性249

11.1.2 侧向气动特性251

11.1.3 惯性交感现象253

11.2 控制律结构总体规划255

11.2.1 控制律功能结构总体设计255

11.2.2 基于动压的增益调度策略256

第十二章 纵向通道控制律设计258

12.1 纵向控制增稳指令构型258

12.2 纵向指令支路设计258

12.2.1 杆力杆位移特性设计258

12.2.2 指令梯度设计259

12.2.3 指令限制器设计259

12.2.4 指令响应模型与人工配平设计259

12.3 纵向反馈支路和前向支路设计260

12.3.1 控制增稳控制律设计260

12.3.2 迎角/过载限制器设计261

12.4 纵向飞行品质评价264

12.4.1 纵向飞行品质要求264

12.4.2 仿真分析265

12.4.3 控制参数增益调度曲线设计268

第十三章 侧向通道控制律设计269

13.1 侧向控制增稳控制律构型269

13.2 侧向指令支路设计269

13.2.1 滚转通道指令支路设计269

13.2.2 航向通道指令支路设计271

13.3 侧向反馈支路和前向支路设计272

13.3.1 滚转通道反馈支路和前向支路设计272

13.3.2 航向通道反馈支路和前向支路设计273

13.3.3 滚转、偏航交联解耦273

13.4 侧向飞行品质评价274

13.4.1 侧向飞行品质要求274

13.4.2 仿真分析275

第十四章 控制律验证与加油模态改进279

14.1 控制增稳模态验证与改进279

14.1.1 使用、可用包线内控制律验证279

14.1.2 失速/过失速控制律验证与改进281

14.1.3 基于FlightGear的仿真试飞试验287

14.2 空中加油模态控制律设计291

14.2.1 “比例”式和“比例＋积分”式控制思路的区别291

14.2.2 纵向空中加油模态控制律设计293

14.2.3 侧向空中加油模态控制律设计297

第五篇 自主空中加油飞行控制300

第十五章 自组织近似指令滤波反推控制300

15.1 高阶单输入、单输出系统301

15.1.1 预备知识301

15.1.2 问题描述301

15.1.3 局部权重学习算法302

15.1.4 在线自组织近似指令滤波控制304

15.1.5 稳定性证明307

15.1.6 应用仿真算例313

15.2 高阶多输入、多输出系统317

15.2 1预备知识317

15.2.2 问题描述317

15.2.3 局部权重学习算法318

15.2.4 在线自组织近似指令滤波控制320

15.2.5 稳定性证明324

15.2.6 应用仿真算例330

第十六章 自主对接飞行控制系统设计336

16.1 基于有限状态机的航迹指令生成器336

16.1.1 控制过程描述336

16.1.2 相对航迹控制目标转换337

16.1.3 近距对接参考轨迹设计339

16.1.4 航迹指令生成器的程序实现340

16.2 基于自组织近似指令滤波反推的航迹跟踪340

16.2.1 受油机模型变换340

16.2.2 函数近似器定义342

16.2.3 控制律设计343

16.2.4 稳定性证明346

16.2.5 控制系统结构图352

16.3 综合仿真分析352

16.3.1 不考虑紊流和头波的情况354

16.3.2 考虑紊流和头波的情况361

16.3.3 在线自组织近似域大小的影响370

参考文献372

致谢378