La dinámica de vuelo es el análisis de la forma en que las aeronaves se mueven por el aire, las fuerzas y los sistemas de control que les permiten mantener el vuelo y las fuerzas físicas externas que actúan sobre ellas, como el empuje, la sustentación, la gravedad y la resistencia. Las principales aplicaciones de la ciencia de la dinámica de vuelo se relacionan con la actitud de las aeronaves durante el vuelo, particularmente en la forma en que se mueven y se hacen moverse en los tres ejes separados de cabeceo, guiñada y balanceo. La ciencia de la dinámica de vuelo también se aplica a las naves espaciales, pero las formas en que se logran el vuelo y el control de vuelo en dichas naves difieren significativamente de las de las naves atmosféricas como aviones y helicópteros.
La orientación de aeronaves y naves espaciales utiliza lo que se denomina un ideal como punto de referencia. Para las aeronaves atmosféricas, esto es esencialmente un vuelo recto y nivelado, utilizando el suelo como referencia. Para las naves espaciales, esta referencia es arbitraria y puede basarse en el objeto planetario o de otro tipo alrededor del cual orbita la nave espacial o incluso en otra nave espacial. Cuando una nave espacial está en órbita alrededor de la Tierra, la superficie de la Tierra se usa a menudo como referencia, pero con el propósito de maniobrar cerca y acoplarse con otra nave espacial o la Estación Espacial Internacional, por ejemplo, la otra nave u objeto puede ser el referencia.
Los tres ejes de rotación del aire y la nave espacial se denominan cabeceo, balanceo y guiñada, y una nave espacial o un avión se mueve alrededor de estos ejes con su centro de gravedad, o masa, como el punto donde se encuentran los tres ejes. Los ingenieros y diseñadores aeroespaciales utilizan la dinámica de vuelo para determinar cómo se comportarán el aire y las naves espaciales cuando se utilicen mecanismos de control para rotar el vehículo en una de estas direcciones, así como el movimiento direccional del vehículo a través de la atmósfera o el espacio. Cosas como la cantidad de empuje requerida para el vuelo, la estabilidad del vuelo, la maniobrabilidad y las tasas de ascenso se pueden estimar con un alto grado de precisión para un diseño de aeronave o nave espacial aplicando principios de dinámica de vuelo. Los sistemas de control y propulsión se diseñan utilizando principios de dinámica de vuelo para permitir que el aire y las naves espaciales realicen un vuelo controlado y eficiente.
Si bien cada uno de los tres ejes de rotación tiene una definición científica, estos pueden ser confusos y, a menudo, es más fácil definirlos en términos más simples. El paso se refiere a la actitud de la dirección de vuelo con respecto al punto de referencia, en dirección hacia arriba o hacia abajo. Cuando un avión asciende, se dice que su cabeceo es positivo, es decir, que tiene un ángulo por encima del punto de referencia.
La guiñada se refiere a la actitud de la aeronave de lado a lado. Imagina un modelo de avión sentado sobre una mesa, y sin mover el centro del avión, gíralo hacia un lado o hacia el otro. Esto es guiñada. Roll se puede representar fácilmente imaginando un avión en vuelo recto y levantando un ala.