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郑伟，杨跃能 著

图书标签:

• 飞艇
• 飞行器
• 空气动力学
• 控制理论
• 飞行力学
• 航空工程
• 气动布局
• 飞艇设计
• 轻于气
• 垂直起降

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030460424

版次：1

商品编码：11902992

包装：平装

开本：16开

出版时间：2016-01-01

用纸：胶版纸

页数：182

字数：240000

正文语种：中文

内容简介

　　飞艇是一种依靠浮升气体提供静升力、依靠推进系统和控制系统实现操纵飞行，轻于空气的浮空器。飞艇的总体布局、飞行机理和工作模式显著不同于飞机、导弹、卫星等飞行器，其飞行力学与控制研究存在诸多新的挑战与难题。《飞艇飞行力学与控制》主要针对飞艇飞行力学与控制问题，着重阐述飞艇飞行力学模型、飞行模态以及飞行控制方法。全书共分为7章，分别介绍飞艇发展历程与研究现状、飞行力学模型、飞行特性、姿态控制、航迹控制、驻留控制以及总结与展望等内容。
　　《飞艇飞行力学与控制》不仅可以作为高等院校飞行器设计专业及相关专业的研究生与高年级本科生的教材或课外读物，也可以作为从事飞艇、浮空器研究及应用的科研人员的参考书。

内页插图

目录

前言

第1章 绪论
1．1 飞艇及其分类
1．1．1 飞艇的定义
1．1．2 飞艇的分类
1．2 飞艇的发展历程与应用现状
1．2．1 飞艇的发展历程
1．2．2 飞艇的研制现状
1．3 飞艇飞行力学研究综述
1．3．1 飞艇飞行力学建模研究综述
1．3．2 飞艇飞行特性研究综述
1．3．3 飞艇飞行控制研究综述
1．4 本书主要研究内容
1．5 小结
参考文献

第2章 飞艇飞行力学模型
2．1 飞艇的飞行原理
2．1．1 空气静力学基本概念
2．1．2 飞艇的静升力原理
2．1．3 飞艇的升降操控
2．2 坐标系及坐标变换
2．2．1 坐标系定义
2．2．2 运动参数定义
2．2．3 坐标变换
2．3 运动学方程
2．3．1 浮心运动学方程
2．3．2 姿态运动学方程
2．4 动力学方程
2．4．1 Newton-Euler动力学方程
2．4．2 Lagrange动力学方程
2．5 小结
参考文献

第3章 飞艇飞行特性
3．1 线性化运动方程
3．1．1 小扰动线性化方法
3．1．2 运动方程分组与线性化
3．2 运动稳定性
3．2．1 稳定性理论
3．2．2 飞艇运动稳定性分析
3．3 运动模态
3．3．1 模态分析方法
3．3．2 飞艇的典型运动模态
3．4 小结
参考文献

第4章 飞艇姿态控制
4．1 姿态控制问题描述
4．2 反馈线性化滑模控制方法
4．2．1 反馈线性化基础理论
4．2．2 反馈线性化终端滑模控制方法
4．3 姿态控制器设计
4．3．1 非线性姿态控制系统反馈线性化
4．3．2 终端滑模控制律设计
4．4 姿态控制仿真结果与分析
4．4．1 指数趋近律滑模姿态控制仿真结果与分析
4．4．2 终端滑模姿态控制仿真结果与分析
4．5 小结
参考文献

第5章 飞艇航迹控制
第6章 飞艇驻留控制
第7章 总结与展望

前言/序言

　　飞艇是一种依靠浮升气体提供静升力、依靠推进系统和控制系统实现操纵飞行，轻于空气的浮空器。飞艇早于飞机半个世纪面世，是人类最早使用的航空器。1852年9月24日法国人Giffard驾驶一艘动力载人飞艇升空，开创了人类可控动力飞行的新纪元，1909年齐柏林创办了世界上一家民用航空公司……德莱格飞艇公司，开始了航空史上的飞艇时代。1929年8月，齐柏林伯爵号飞艇的洲际飞行，标志着飞艇技术达到了全盛时期。1937年5月6日，兴登堡号飞艇失事使得飞艇技术走向低谷，航空史上的飞艇时代戛然而止。
　　随着航空科学技术的发展，尤其是蒙皮材料、推进、飞行控制技术的突破，飞艇特有的应用优势日益凸显，其应用价值得到重新认识和评价。飞艇具有定点驻留、滞空时间长、能耗低、效费比高等优势，适合作为中低空承载平台，通过搭载不同载荷来完成各类特定任务，广泛应用于侦察监视、区域预警、通信中继、对地观测、环境监测、城市规划、交通管理、防灾减灾等领域，具有巨大的应用潜力和广阔的应用前景。飞艇这一古老的飞行器，在新世纪又焕发出新的活力。
　　飞艇的总体布局、飞行机理和工作模式显著不同于飞机、导弹、卫星等飞行器，具有以下特点：主要依靠浮升气体提供静升力；体积／质量比大、飞行速度低，存在附加惯性作用；飞行过程中，模型参数不断变化，且易受外界扰动；飞行模式多为低速巡航和区域驻留。上述特点使得飞艇的飞行特性显著不同于飞机、导弹、卫星等飞行器，对其飞行力学与控制研究提出了诸多新的挑战与难题。本书针对飞艇的上述特点，从飞行力学建模、飞行特性分析、飞行控制算法设计等三大方面进行了较为系统的研究，给出了飞艇的典型运动模态，提出了飞艇姿态调节、航迹跟踪和区域驻留控制方法。
　　作者从2008年前后开始关注、开展飞艇相关的一些研究工作。在此期间，主要针对飞艇的飞行力学与控制问题，开展了飞行机理研究、飞行力学建模、飞行特性分析、姿态调节、航迹跟踪和区域驻留控制算法设计等工作，提出了一些新的理论、模型与方法。现将其整理出版，希望对飞艇技术的发展有所裨益。其中，第1～3章由郑伟撰写，第4～7章由杨跃能撰写。
　　本书的出版得到了国家自然科学基金项目（11502288）资助、湖南省自然科学基金项目资助以及国防科学技术大学学术著作出版资助专项经费资助，在此表示衷心感谢！感谢学院、系所各级领导对本书出版工作的大力支持！感谢上海交通大学空天科学技术研究院段登平教授、国防科学技术大学航天科学与工程学院陈克俊教授所提出的宝贵修改意见！感谢国防科学技术大学航天科学与工程学院汤国建教授、吴杰教授、闫野教授、侯中喜教授、杨希祥副教授对本书研究工作的指导！
　　飞艇飞行力学与控制研究涉及的理论问题与关键技术众多，新的理论与方法不断发展，尤其是高空飞艇尚处于探索研究阶段，希望本书的出版可以抛砖引玉，期待飞艇飞行力学与控制的理论体系不断成熟与完善，期待飞艇技术不断创新与发展。
　　限于作者的学识水平，书中难免存在不足之处，敬请广大读者批评指正。

《飞艇飞行力学与控制》：一本深入探索空中巨兽奥秘的详尽读物 在人类征服天空的漫漫长河中，飞艇以其独特的浮力原理和优雅的身姿，曾一度成为交通运输和军事侦察的骄傲。它们庞大的体积、宁静的飞行以及超长的续航能力，赋予了它们无可比拟的优势，也带来了独特的工程挑战。《飞艇飞行力学与控制》便是这样一部呕心沥血之作，它将带领读者穿越气动力学、材料科学、结构工程以及先进控制理论的复杂交织，深入剖析飞艇这一空中巨兽的内在运作机制。 本书并非对飞艇历史的回顾，也不是对未来设想的憧憬，而是一部专注于飞艇飞行本质的硬核技术手册。它从最基础的物理原理出发，层层递进，为读者构建起一个关于飞艇如何翱翔天空的完整认知体系。 第一部分：飞艇的静态与动态浮力学 首先，我们将目光聚焦于飞艇最核心的竞争力——浮力。本部分将对阿基米德原理在飞艇设计中的应用进行详尽解析。读者将了解到不同种类浮升气体（如氢气、氦气）的密度特性、成本效益及其对飞艇整体性能的影响。气体与外壳之间的传热传质过程，以及由此产生的压力和温度变化对浮力的动态影响，也将被深入剖析。书中将引入详细的数学模型，用于计算和预测不同环境条件下的静态和动态浮力，为飞艇的设计者提供精确的理论依据。 第二部分：飞艇的气动特性与操纵原理 一旦掌握了浮力学的基础，我们将转向飞艇在空气中的运动。本部分将深入探讨飞艇的外形设计与其气动效率之间的关系。从圆柱形到更优化的流线型，每一种外形都会对飞艇的升力、阻力以及侧向力产生独特的影响。本书将详细介绍通过计算流体动力学（CFD）进行气动性能分析的方法，并给出实际案例。 此外，操纵飞艇并非易事，其巨大的惯性和对风力的敏感性带来了独特的挑战。本部分将详细讲解飞艇的舵面设计（如方向舵、升降舵）及其工作原理，并通过数学模型分析不同舵面组合对飞艇姿态和航向的影响。同时，书中还将探讨推进系统的布局和优化，包括螺旋桨的类型、推力矢量控制等，以实现飞艇在复杂气象条件下的精确机动。 第三部分：飞艇的结构完整性与材料选择 庞大的飞艇结构对材料科学和结构工程提出了极高的要求。本部分将深入研究飞艇外壳（Envelope）的材料特性，包括强度、韧性、透气性以及抗紫外线老化能力。从传统的织物复合材料到新兴的轻质高强合金，本书将对各种材料在飞艇结构中的应用进行评估，并提供相应的材料力学分析模型。 飞艇内部的结构骨架（Rigid or Semi-rigid），如何支撑巨大的浮力载荷并抵抗外部环境的应力，也将是本部分的重点。我们将探讨应力集中的影响，以及如何通过结构优化来最大程度地减轻自重，同时保证结构的安全性。疲劳寿命分析、振动特性以及结构对外部载荷的响应，都将通过严谨的理论推导和数值模拟进行阐释。 第四部分：飞艇的先进控制系统设计 飞艇的稳定和精确控制是其安全运行的关键。本部分将聚焦于飞艇的先进控制系统设计。我们将从基础的PID控制器开始，讲解其在飞艇姿态稳定中的应用，并分析其局限性。随后，本书将深入介绍更先进的控制理论，如模型预测控制（MPC）、自适应控制以及鲁棒控制等，并探讨它们如何被应用于解决飞艇在风力扰动、重量变化以及系统不确定性等复杂工况下的控制难题。 无人机技术的发展也为飞艇的自动化控制提供了新的思路。本书将探讨如何将传感器数据（如GPS、IMU、气象传感器）与先进的导航和飞行控制算法相结合，实现飞艇的自主起降、航迹跟踪以及定点悬停等高级功能。同时，还将讨论飞艇在复杂气象条件下（如强风、湍流）的避障和安全飞行策略。 第五部分：飞艇在现代应用中的挑战与机遇 尽管飞艇的发展曾经历波折，但其独特的优势使其在当代仍然具有广阔的应用前景。本部分将探讨飞艇在现代社会中的潜在应用，包括但不限于： 环境监测与科研平台： 凭借其长航时和低空悬停能力，飞艇可以作为理想的平台，用于大气成分监测、地理测绘、生态研究以及气候变化观测。 远程通信与网络覆盖： 飞艇可以作为移动的通信基站，为偏远地区或灾区提供稳定的网络连接。 货物运输与物流： 针对大型、重型或特殊货物的运输，飞艇可以提供一种低能耗、高效率的解决方案，尤其是在缺乏地面基础设施的区域。 旅游观光与特殊用途： 飞艇的宁静飞行体验使其成为独特的旅游观光工具，同时也可用于搜救、巡逻等特殊任务。 本书将分析这些应用对飞艇性能提出的具体要求，并探讨当前技术存在的挑战，如续航能力的进一步提升、防雷击能力的设计、以及与现有空域管理体系的融合等。同时，也将展望未来可能的技术突破和创新方向。 《飞艇飞行力学与控制》汇聚了飞艇工程领域的最新研究成果和深厚实践经验，为工程师、研究人员、学生以及所有对飞艇这一迷人飞行器感兴趣的读者提供了一个全面、深入的学习平台。它不仅是一本知识的宝库，更是一扇通往理解和驾驭空中巨兽的钥匙。

评分☆☆☆☆☆

我并非专业人士，最初阅读《飞艇飞行力学与控制》纯粹是因为对这种“古老”而又充满浪漫色彩的飞行器感到好奇。然而，这本书远远超出了我的想象。作者以一种非常接地气的方式，将飞艇的飞行原理娓娓道来。我被书中对“空气动力学”的解读深深吸引，作者并没有直接给出那些令人望而生畏的公式，而是通过生动形象的比喻，比如将飞艇想象成一艘在空气海洋中航行的船，让我轻松理解了浮力、升力、阻力这些概念。书中关于飞艇如何在高空中保持稳定性的章节，让我大开眼界，作者详细解释了如何通过调整飞艇的各个部分来对抗风力和气流的干扰。而且，书中关于飞艇的“驾驶”系统也让我非常着迷，我从来没有想过，控制这样庞大的空中巨兽，竟然需要如此精密的计算和操作。特别是当读到书中关于飞艇在不同天气条件下的飞行技巧时，我仿佛身临其境，感受到了工程师们在背后付出的智慧和努力。这本书让我看到了飞艇不为人知的一面，也让我对这种曾经的“空中霸主”有了全新的敬意。

评分☆☆☆☆☆

我一直对那些能够将复杂科学原理解释得清晰易懂的书籍情有独钟，而《飞艇飞行力学与控制》绝对是其中的佼佼者。这本书的叙述方式极其流畅，作者以一种循序渐进的方式，带领读者一步步走进飞艇的飞行世界。从最基础的浮力原理说起，作者用生动形象的比喻，比如将飞艇比作漂浮在空气中的巨大气球，让我很快就理解了其基本飞行机制。接着，书中深入到空气动力学的部分，详细分析了艇体的形状、表面特性以及气流对飞艇的影响，并通过大量的图示，将复杂的力学模型变得直观易懂。我特别喜欢书中关于飞艇稳定性分析的部分，作者用一种非常系统的方式，解释了飞艇在受到外部干扰时如何保持平衡，以及如何通过调整控制面来纠正姿态。而关于控制系统，书中更是进行了详尽的介绍，从传统的机械控制到现代的电子稳定系统，作者都一一进行了阐述，并且对各种控制策略的优缺点进行了深入的比较。读完这本书，我对飞艇的飞行原理和控制技术有了全面而深入的理解，也让我对这个古老却又充满潜力的飞行器有了全新的认识。

评分☆☆☆☆☆

老实说，我一开始对《飞艇飞行力学与控制》这本书的期待值并不高，觉得飞艇这种东西，早就被时代的洪流所淘汰了。然而，事实证明我错了，而且错得离谱。这本书颠覆了我对飞艇的刻板印象，它向我展示了一个充满智慧和创新力的工程领域。作者在书中对飞艇飞行力学的讲解，简直可以说是“妙笔生花”。从最基本的浮力原理，到复杂的空气动力学特性，再到精密的控制系统，书中都进行了极其深入的剖析，而且叙述方式极富吸引力。我尤其喜欢书中关于飞艇在复杂气象条件下的飞行策略，作者通过严谨的数学模型和实际案例，展现了如何让飞艇在风雨中稳健前行，这让我对飞艇的可靠性有了全新的认识。而且，书中对飞艇的推进系统和能源效率的探讨，也让我看到了飞艇在现代可持续交通中的巨大潜力。读完这本书，我感觉自己仿佛打开了一扇新世界的大门，看到了一个被低估的飞行器所蕴含的巨大能量和无限可能。它不仅是一本技术书籍，更是一次对想象力和工程智慧的礼赞。

评分☆☆☆☆☆

对于我这样一个对航空工程有着浓厚兴趣的爱好者来说，《飞艇飞行力学与控制》无异于一本失落的宝藏。我一直在寻找能够深入浅出地讲解复杂飞行器设计的书籍，而这本书恰好填补了我的这个空白。作者在开篇就用一种极其宏观的视角，描绘了飞艇在人类交通史上的独特地位，以及它所蕴含的未来潜力。这一下子就抓住了我的注意力，让我对接下来的内容充满了期待。书中对飞艇的空气动力学特性进行了极其详尽的分析，从不同形状的艇体对气流的影响，到如何通过巧妙的设计来减小阻力，都做了深入浅出的讲解。我尤其欣赏书中关于飞艇在复杂气象条件下的飞行性能分析，作者通过严谨的数学模型和实际案例，展示了如何预测和应对强风、湍流等不利因素，这对于提升飞艇的安全性至关重要。而关于飞艇的控制系统，书中更是花了大量的篇幅来讲解，从传统的机械控制到现代的电子控制，作者都一一进行了梳理，并且对各种控制策略的优缺点进行了深入的比较。读到关于飞艇自动驾驶系统的部分，我更是大开眼界，原来飞艇的控制已经可以达到如此高的智能化水平。这本书让我对飞艇这个古老而又充满潜力的飞行器有了全新的认识，也激发了我对未来航空技术发展的无限遐想。

评分☆☆☆☆☆

说实话，最初接触《飞艇飞行力学与控制》这本书，是因为我对一些比较“小众”的航空技术一直很有兴趣。飞艇对我来说，更多的是一种历史的象征，没想到这本书竟然能让我看到它在现代工程学中的重要地位。作者的写作风格非常有条理，从最基本的浮力原理开始，逐步深入到更复杂的空气动力学和控制系统。我印象特别深刻的是书中关于飞艇在不同风力条件下的飞行姿态控制。作者用大量的图表和公式，清晰地展示了如何通过调整飞艇的舵面和推进器来维持稳定飞行。特别是关于飞艇在起降过程中的精确操控，这部分内容让我认识到，驾驭如此庞大的飞行器，需要多么精密的计算和操作。书中对飞艇内部气囊的设计和充气/放气机制的解释也相当详细，让我理解了飞艇是如何实现高度和浮力的调节的。此外，作者还探讨了飞艇在不同气象条件下的性能表现，比如如何应对低温和高湿环境，这对于飞艇的实际应用非常有参考价值。这本书让我对飞艇的工程原理有了全新的认识，也让我看到了它在未来交通运输领域可能扮演的重要角色。

评分☆☆☆☆☆

我必须承认，最初拿起《飞艇飞行力学与控制》纯粹是出于一种好奇心，觉得这个标题听起来就有点“不走寻常路”。毕竟，现在大家谈论的都是飞机、火箭、无人机，谁还会对飞艇这种“老古董”感兴趣？然而，这本书带来的冲击绝对是意想不到的。作者似乎有一种魔力，能够将那些我原本以为极其晦涩的空气动力学原理，用一种仿佛在娓娓道来的方式呈现出来。比如，书中对于飞艇在不同风况下的受力分析，通过大量的公式和图表，再加上作者时不时插入的一些历史案例，比如早期的齐柏林飞艇是如何应对突发气流的，让我感觉自己就身处那个年代，亲身经历那些惊心动魄的时刻。更让我着迷的是，书中关于飞艇控制系统的那一部分。它详细阐述了如何通过精密的计算，调整各个部分的舵面、发动机推力，甚至压载水的配比，来精确地控制飞艇在三维空间中的运动。我从来没想过，驾驭这样一个巨大的空中“气球”，竟然需要如此复杂而又巧妙的设计。特别是关于飞艇在着陆过程中的稳定性控制，作者用一种近乎艺术化的描述，展现了工程师们如何在巨大的挑战面前，设计出如此优雅的解决方案。这本书让我看到了一个被忽视的工程领域里的智慧火花，也让我对“落后”的技术有了全新的认识。

评分☆☆☆☆☆

坦白讲，我当初买《飞艇飞行力学与控制》这本厚重的书，主要还是被它那个充满了科幻色彩的书名所吸引。我一直对那些非主流的飞行器设计抱有浓厚的兴趣，觉得它们身上往往蕴含着一些独特的工程智慧。这本书并没有让我失望。作者在开篇就以一种相当有说服力的方式，驳斥了飞艇已经过时的论调，并着重阐述了其在现代物流、科学考察甚至旅游业等领域的独特优势。紧接着，书中便深入到飞艇的飞行力学之中。我被其中对浮力原理的讲解所深深吸引，作者没有简单地给出公式，而是通过一系列的类比，比如将飞艇比作漂浮在空气海洋中的船只，让我对这种独特的飞行方式有了更直观的理解。书中对于升力与阻力的权衡分析也极其到位，作者详细解释了艇体形状、表面材料以及不同飞行速度对这些力学参数的影响。最令我印象深刻的是，关于飞艇的操纵性章节，作者详细介绍了如何通过调整推进器、舵面以及内部气囊的压力来实现在复杂环境下的精确控制。特别是书中关于飞艇在低速巡航和原地悬停时的力学模型，让我看到了飞艇在某些特定应用场景下无可替代的优势。这本书不仅让我学到了丰富的专业知识，更让我重新认识到了飞艇这种交通工具的魅力和潜力。

评分☆☆☆☆☆

作为一名航空工程师，我一直在寻找能够系统性地介绍飞艇飞行力学与控制的书籍，而《飞艇飞行力学与控制》这本书，无疑满足了我的需求。作者在书中展现了深厚的专业功底，从最基础的浮力原理出发，层层递进，深入到空气动力学、推进系统、稳定性和控制等各个方面。我尤其赞赏书中对飞艇在不同飞行状态下的受力分析，作者通过严谨的数学模型和大量的图表，清晰地展现了各种力对飞艇运动的影响。书中关于飞艇的操纵性分析也十分到位，详细介绍了如何通过调整舵面、推进器以及内部气囊的压力来实现在复杂环境下的精确控制。我特别关注书中关于飞艇在低速飞行和起降过程中的稳定性控制，这部分内容对于实际工程设计具有重要的参考价值。此外，书中还探讨了飞艇材料的选择、结构强度分析以及对环境因素的适应性等问题，这些内容都极大地丰富了我对飞艇工程的认识。总而言之，这本书是一部非常优秀的飞艇工程技术著作，对于任何对飞艇飞行力学与控制感兴趣的人来说，都具有极高的参考价值。

评分☆☆☆☆☆

我算是一个比较“硬核”的科技爱好者，经常会翻阅一些工程类的书籍，但《飞艇飞行力学与控制》这本书，还是给了我不少惊喜。一开始我以为它会是一本非常枯燥的理论堆砌，结果没想到，作者的叙述方式非常引人入胜。书中对飞艇动力学的剖析，简直可以说是“抽丝剥茧”。从最基本的空气浮力原理入手，层层递进，直到复杂的飞行姿态控制。我特别喜欢其中关于飞艇在不同高度和温度下浮力变化的计算方法，作者用一种非常清晰的逻辑，将这些看似复杂的物理过程一一解读。更让我惊讶的是，书中对飞艇的推进系统进行了深入的探讨，不仅包括了传统的螺旋桨推进，还介绍了现代的一些新型推进技术，比如矢量推进。这些内容让我看到了飞艇技术发展的最新动态。而且，书中关于飞艇结构强度和材料力学的分析也非常到位，作者详细介绍了如何选择合适的材料来确保飞艇在承受各种外部载荷时的安全性，这对于理解飞艇的工程设计至关重要。总而言之，这本书不仅仅是关于飞艇的飞行原理，更是对整个飞艇工程体系的一次全面而深入的解读，让我受益匪浅。

评分☆☆☆☆☆

这本书绝对是我今年最惊喜的阅读体验之一！当我第一次在书店的角落里看到它——《飞艇飞行力学与控制》，老实说，我并没有抱太高的期望。我对飞艇的了解仅限于一些历史纪录片里那种庞大而缓慢的交通工具，觉得它们更像是过去时代的遗物，而非现代工程学的研究对象。然而，这本书彻底颠覆了我的认知。从第一页开始，作者就以一种近乎诗意的笔触，勾勒出了飞艇在空气动力学中的独特地位，以及操控这样庞然大物所需的精妙计算。书中对浮力、升力、阻力等基本概念的讲解，没有丝毫枯燥的说教，而是通过一系列生动形象的比喻和细致入微的图示，将复杂的物理原理变得易于理解。我尤其喜欢其中关于飞艇稳定性的章节，作者用了一种类比的方式，将飞艇的稳定性比作在风中平衡的一片树叶，这种直观的描绘让我一下子就抓住了核心。更让我惊叹的是，书中并没有止步于理论层面，而是深入探讨了现代飞艇设计中各种创新性的解决方案，比如如何利用先进的材料来减轻重量，以及如何通过智能控制系统来提高飞艇的机动性和安全性。读完这本书，我感觉自己仿佛拥有了一双洞察飞艇世界的眼睛，对这个曾经模糊的概念有了前所未有的清晰认识。它不仅仅是一本技术书籍，更是一次关于想象力与工程学完美结合的旅程。