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出版者:西南交通大学出版社

作者:王有隆

出品人:

页数:122

译者:

出版时间:2001-7

价格:18.80元

装帧:

isbn号码:9787810575669

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现代航天动力学：从轨道设计到深空探测的理论与实践 作者：张伟、李明 编著 出版社：宇航科技出版社 出版日期：2023年10月 --- 内容简介 本书全面深入地探讨了现代航天动力学领域的核心理论、关键技术和前沿应用。它不仅是航天工程师、空间任务规划师的专业参考手册，也是高等院校航空航天类专业本科生和研究生的重要教材。全书结构严谨，内容覆盖面广，力求在理论推导的精确性与工程应用的实用性之间取得完美平衡。 第一部分：轨道力学基础与经典理论重构 本书首先从牛顿万有引力定律和开普勒定律出发，系统梳理了航天动力学的理论基石。不同于传统的教科书叙述方式，本部分着重于非理想化模型下的轨道动力学分析。 第一章：二体问题的高级解法与数值积分 本章详细介绍了开普勒方程的解析解法（如牛顿迭代法、巴尼斯特法）及其在实时轨道确定中的局限性。重点阐述了高精度数值积分方法在处理复杂摄动（如太阳辐射压、地球非球形引力）时的应用。讨论了龙格-库塔法（RK4、RKF45）和辛积分方法在保持长期轨道预测稳定性和能量守恒方面的优劣对比。特别引入了基于四元数（Quaternions）的轨道姿态动力学初步分析，为后续的姿态控制打下基础。 第二章：多体摄动理论与摄动轨道分析 本书超越了简单的摄动展开，引入了拉格朗日中程方程（Lagrange's Planetary Equations）和庞加莱-林德布拉德（Poincaré-Lindstedt）方法来分析周期性摄动。详细分析了J2、J3等高阶地球引力项对近地轨道（LEO）和地球同步轨道（GEO）的长期影响，包括轨道的漂移速率和近日点进动。同时，对太阳光压的摄动力模型进行了详细建模，特别是针对低质量比航天器（如微小卫星星座）的长期轨道维持策略进行了深入探讨。 第三章：轨道变换与转移机动优化 本章集中于航天器轨道机动的效率和燃料优化问题。系统讲解了霍曼转移、双椭圆转移的理论边界。引入了最优控制理论在轨道转移中的应用，包括庞特里亚金最小原理在计算无推力段和有限推力段的边界条件。详细介绍了使用高斯谱法（Gauss Pseudospectral Method, GPM）求解复杂轨道机动（如行星际弹道修正）的数值过程，并提供了一系列实际案例的算例分析。 第二部分：航天器姿态动力学与控制 本部分转向研究航天器自身的运动学和动力学，这是精确深空探测和精密对地观测的关键。 第四章：刚体动力学与欧拉方程 本章深入探讨了航天器姿态的建模，从拉格朗日量出发推导了带外部力矩（如磁力矩、气动扭矩）的欧拉方程。详细分析了非对称惯量矩阵对姿态机动的影响。重点讨论了欧拉角、罗德里格斯参数和四元数在描述和解算姿态时的相互转换、奇异性问题及在导航滤波中的应用。 第五章：执行器建模与姿态控制系统设计 本书详细分析了反应轮（Reaction Wheels）、磁力矩器（Magnetorquers）和推进器（Thrusters）的动力学模型和饱和限制。在控制算法方面，超越了传统的PID控制，重点介绍了滑模控制（SMC）在应对外部扰动和模型不确定性时的鲁棒性，以及基于Lyapunov函数的间接自适应控制方法在变质量系统（如燃料消耗）中的应用。 第六章：惯性导航与姿态确定 本章阐述了高精度姿态确定的方法。详细介绍了扩展卡尔曼滤波（EKF）和无迹卡尔曼滤波（UKF）在融合星敏感器、陀螺仪和加速度计数据时的具体实现。特别关注了基于特征跟踪的视觉导航系统（VNS）在深空着陆和近距离交会对接任务中的数据预处理和姿态解算流程。 第三部分：高级轨道设计与空间任务应用 本部分将理论应用于前沿空间任务场景，展现了现代航天动力学的工程潜力。 第七章：限制性多体问题与轨道设计 本书详细介绍了拉格朗日平衡点（Lagrange Points, LPs）的稳定性分析，包括对L1到L5点的周期性轨道（如Halo, Lissajous轨道）的稳定性判据和微小摄动下的维持策略。引入了动力学通道（Dynamical Pathways）的概念，用于设计低能耗的行星际转移路径，如“弱稳定边界”（WSB）理论在小行星采样返回任务中的应用。 第八章：航天器编队与相对导航 针对卫星互联网和空间态势感知需求，本章重点讨论了航天器编队的相对动力学。采用相对状态方程描述编队成员间的相互作用，详细分析了浮动轨道（Floating Orbits）和周期性相对轨道的设计。介绍了利用相对测量（如激光雷达和GPS差分）进行高精度相对状态估计的技术，以及在近距离自主交会对接（Rendezvous and Proximity Operations, RPO）任务中避碰和轨道控制的算法。 第九章：深空探测的轨道摄动与导航挑战 本章探讨了远离地球引力场时的导航难题。讨论了行星和太阳的非周期性引力摄动对远距离航天器（如旅行者号、新视野号）轨道的修正。详细介绍了行星际导航（Interplanetary Navigation）中的关键环节：深空网络（DSN）的测距和多普勒数据处理、轨道修正（TCMs）的规划，以及如何利用引力助推（Gravity Assist）进行行星际轨迹优化。 --- 本书特色 1. 工程导向的深度理论： 理论推导严谨，但始终聚焦于工程实现中的瓶颈和解决方案，包含大量实际任务数据校准的案例分析。 2. 前沿算法集成： 涵盖了从经典牛顿法到现代最优控制、谱方法等多种高级数值技术，为读者提供解决复杂动力学问题的工具箱。 3. 多尺度分析视角： 兼顾了近地轨道的高精度摄动分析，以及行星际任务中的长期动力学行为，视角全面。 本书旨在培养读者构建复杂航天系统的动力学模型，并掌握对其进行精确预测和高效控制的能力。 --- 关键词： 航天动力学、轨道力学、姿态控制、最优控制、行星际导航、卡尔曼滤波、相对动力学、拉格朗日点。

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阅读体验是评价一本非虚构类书籍时常常被忽视的维度，但对于这种涉及大量空间感知和动态平衡的题材来说，体验至关重要。这本书的叙事节奏掌握得如同一次完美的进场着陆，平稳而精准。它巧妙地平衡了理论的严谨性与叙述的流畅性，没有让读者在艰涩的物理定律和工程术语中迷失方向。作者似乎深谙如何将复杂的概念“翻译”成易于理解的语言，例如，他对陀螺仪的原理阐述，就用了一个非常贴近生活的比喻——一个高速旋转的飞轮在空间中保持其指向性的场景，瞬间就将抽象的角动量守恒定律具象化了。更令人惊喜的是，书中配有的插图，并非那种僵硬的工程剖视图，而是大量由专业绘图师重新绘制的动态示意图，它们精准地描绘了部件间的相对运动和力场的分布，配合文本阅读，使得原本需要反复揣摩的机械原理，变得一目了然。这种“视觉化教学”的功力，极大地降低了入门门槛，让即便是对机械原理不甚熟悉的读者，也能快速建立起对航空系统运作的整体认知框架。

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这本书的装帧设计着实吸引人眼球，封面那深邃的藏蓝底色，仿佛能让人一头栽进那无垠的苍穹之中，中央的银色线条勾勒出的抽象飞行器剪影，简洁却不失力量感，一看就知道这是一本关于“飞翔”主题的力作。我原本以为它会像市面上那些泛泛而谈的航空史册那样，堆砌着大量枯燥的历史年代和机型数据，但翻开内页后，那种细腻的排版和图文并茂的处理方式立刻让我放下了戒心。字体选择上，既保证了阅读的舒适度，又在关键的专业术语处做了加粗或斜体的区分，能让非专业读者也能轻松捕捉重点。尤其值得称赞的是，书中对一些经典航空器设计的剖析，不是简单的技术参数罗列，而是融入了设计师的哲学思考和工程美学的探讨，读起来完全没有那种技术手册的冰冷感，更像是在听一位经验丰富的老工程师，用充满激情的语气，娓娓道来那些隐藏在金属骨架下的故事。那种对细节的极致追求，从纸张的质感到油墨的清晰度，无不体现出出版方对航空爱好者的尊重。这本书放在书架上，本身就是一件赏心悦目的艺术品，每一次不经意间的瞥见，都会激发内心深处对蓝天白云的向往。

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更深层次来看，这本书提供了一种独特的历史观和未来观的融合视角。它没有将航空仪表的演进视为技术的线性升级，而是将其置于全球政治、经济和军事竞争的大背景下去审视。例如，作者详细分析了冷战时期对惯性导航系统精度需求的激增，如何直接推动了MEMS技术在民用航空领域的应用和成熟，这种对技术驱动力的社会学解读，拓宽了我的视野。同时，书中对下一代“态势融合与增强现实辅助导航”的前瞻性展望，也显得十分审慎和扎实，并未陷入过度科幻的泥潭。它讨论了量子传感技术在抗电磁干扰方面的潜力，并极其务实地指出了其实际部署所面临的功耗和稳定性瓶颈。这种“立足当下，仰望星空，脚踏实地”的论述风格，使得全书的论证既有坚实的理论基础，又不失对未来趋势的敏锐洞察。读完后，你会感觉自己不仅了解了仪表如何工作，更理解了它们“为何”以现在这样子的方式演变，以及未来“将要”去往何方。

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我发现这本书在探讨“人机交互界面设计”方面，展现出一种超越时代的前瞻性。在现代飞行座舱越来越依赖多功能显示器（MFD）的背景下，如何避免信息过载和操作冗余，是所有航空电子工程师面临的巨大挑战。这本书并未拘泥于当前主流的玻璃座舱布局，而是花了不少篇幅去探讨“情境感知型界面”的构建逻辑。作者提出了一个极富启发性的模型，即将显示信息的重要性与飞行员当前任务负荷进行实时关联，只在最关键的决策点弹出最重要的信息，其余的次要数据则以低干扰性的方式存在于视野边缘。这种“减法”的设计哲学在很多技术书籍中是罕见的，大家总倾向于展示你能做什么，而这本书却在强调你“应该在特定时刻只看什么”。这种以人为本的思考路径，让这本书的内容立刻从一本技术手册，升级为一本关于“高效决策支持系统”的哲学论著。它迫使读者重新思考，在信息爆炸的时代，如何通过设计来保护飞行员的注意力资源。

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我带着一种近乎苛求的态度来审视这本书的内容结构，毕竟我对“高空作业与气象影响”这个领域的研究已经有数年积累。坦白说，初看目录时，我对它在“复杂气象条件下的导航修正算法”这一章节的深度抱有一丝怀疑，这类内容常常被简化为几行公式，难以提供实际的工程指导。然而，这本书的处理方式彻底颠覆了我的预期。它没有止步于理论推导，而是采用了大量的实际案例分析，通过模拟穿越强对流天气和极端能见度环境的飞行数据，清晰地展示了不同传感器组合在应对突发环境变化时的性能衰减曲线和补偿策略。特别是关于“冰雪条件下的雷达波形自适应调整”那部分，作者引用了数个被广泛流传但鲜少被详细解析的国际飞行事故报告，并从底层信号处理的角度进行了逆向工程式的解读，让人茅塞顿开。这种深度挖掘和跨学科的融合，使得这本书超越了一般的科普读物，达到了准专业参考书的水平。它不仅仅是告诉我们“怎么做”，更深入地解释了“为什么必须这么做”，这种对底层逻辑的尊重，才是真正有价值的知识沉淀。

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