The Flying Circus of Physics pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Wiley

作者:Jearl Walker

出品人:

页数:352

译者:

出版时间:2006-6-30

价格:310.00元

装帧:Paperback

isbn号码:9780471762737

丛书系列:

图书标签:

• 物理学
• 科学
• 教育
• 趣味物理
• 科普
• 物理演示
• 实验
• 教学
• 飞行
• 马戏团

航天动力学基础：从轨道设计到星际导航 本书导言 在人类探索宇宙的征程中，航天动力学无疑是奠定一切的基石。本书旨在为对航天工程、天体物理学以及轨道力学感兴趣的读者，提供一个全面、深入且严谨的理论框架。我们聚焦于描述和预测航天器在不同引力场中运动的规律，从最基础的两体问题出发，逐步扩展到复杂的多体系统、轨道机动策略，直至深空探测所需的导航与控制技术。本书的编写风格力求兼顾理论的严谨性与工程应用的直观性，确保读者不仅理解“如何计算”，更能洞悉“为何如此计算”。 第一部分：轨道力学的数学基石 第一章：中心力场与开普勒定律的再审视 本章将从牛顿万有引力定律出发，构建描述两体问题（如地球与卫星）的运动方程。我们将详细推导并分析圆锥曲线解的物理意义，即椭圆、抛物线和双曲线轨道。重点讨论轨道要素（如半长轴、偏心率、倾角等六个开普勒元素）的定义及其在轨道预测中的核心作用。不同于传统的描述，本章会引入拉格朗日点和哈密顿力学在描述保守系统中的优势，为后续更复杂的动力学分析打下坚实的数学基础。我们还将探讨在实际工程中，如何利用开普勒轨道来近似预估航天器的基本运动轨迹。 第二章：两体问题的高级分析与扰动效应 虽然开普勒轨道是理想情况，但实际操作中，航天器会受到各种微小力的影响。本章深入研究了轨道摄动理论。我们将详尽分析地球非球形（扁率效应，主要是$J_2$项）对轨道的影响，包括升交点和近地点漂移的精确计算公式。此外，我们还会讨论太阳辐射压力、大气阻力（在近地轨道）以及月球和太阳的引力摄动。通过拉格朗日行星方程（或称变分方程），我们学习如何量化这些摄动对轨道要素随时间变化的速率。理解这些摄动至关重要，它们决定了卫星姿态维持和轨道保持（Station-Keeping）所需的燃料预算。 第二部分：航天器轨道设计与机动 第三章：轨道转移的经典方法 轨道转移是航天任务中的核心操作。本章集中阐述了霍曼转移、双椭圆转移等基础方法。霍曼转移因其最低的能量消耗而成为最常用的近地转移技术，我们将对其最优化的条件和执行过程进行细致的分解。对于更高要求的转移，如非共面轨道转移，我们将引入速度增量（$Delta V$）的概念，并利用齐次坐标系来简化复杂的轨道平面变更计算。本章还包括了轨道交会（Rendezvous）和对接（Docking）问题的初步探讨，聚焦于如何在目标参考系中精确计算拦截窗口。 第四章：轨道摄动下的长期轨道维持 对于需要长期运行的卫星（如地球同步卫星或导航星座），轨道维持（Station-Keeping）是生命周期管理的关键。本章将根据第二章推导的摄动效应，设计出精确的轨道保持策略。我们将讨论如何通过定期的轨道修正机动来抵消地球扁率引起的轨道衰减或漂移。对于地球同步轨道，如何维持其在赤道面上的精度（东西向保持）和对地面的高度（南北向保持）是核心内容。本章会引入燃料效率分析模型，以评估不同机动策略的长期经济性。 第三部分：深空任务与导航原理 第五章：多体动力学与引力弹弓效应 当航天器远离地球引力范围，太阳和行星的引力便成为主导因素，这涉及到复杂的三体或多体问题。本章首先概述了限制性三体问题（Restricted Three-Body Problem, RTBP）的平衡点（拉格朗日点）的稳定性分析，这些点是深空任务和空间站部署的天然枢纽。接着，本书将重点剖析“引力弹弓”（Gravity Assist）或称行星际机动。我们将详细推导出引力弹弓效应中动量和能量的传递机制，并展示如何利用行星的引力场来改变航天器的速度和方向，这是实现低成本星际飞行的关键技术。 第六章：轨道确定与导航技术 航天任务的成功执行依赖于对航天器实时位置和速度的精确估计，即轨道确定（Orbit Determination）。本章介绍经典测量技术，如地基测距（Range）和测速（Doppler）数据。我们将详细讲解最小二乘法在轨道参数估计中的应用，以及卡尔曼滤波（Kalman Filtering）在处理具有不确定性的实时导航数据中的优越性。对于深空探测任务，由于缺乏地面观测，本章将阐述基于星敏感器和太阳敏感器的自主导航技术（Attitude and Orbit Control System, AOCS），以及如何利用行星际转移弧段的动力学模型进行预测性导航。 第七章：进入、下降与着陆（EDL）动力学 对于行星际探测器，着陆阶段的动力学挑战最为严峻。本章专注于大气层再入过程中的气动加热与减速。我们将分析航天器在稀薄大气中经历的非保守力影响，包括气动力矩和摩擦阻力。对于目标星球具有大气层的情况，我们将讨论如何设计合适的进入轨迹（如“飞入”或“跳跃”轨迹）以优化减速效率并控制过载。着陆阶段的精确推力控制（如反推火箭的使用）及其对最终落点精度的影响也将被纳入动力学模型进行讨论。 结论 本书的结构旨在引导读者从基础的开普勒运动学，逐步迈入复杂多体系统的摄动分析和实用的导航控制领域。航天动力学是一个不断发展的领域，本书所涵盖的理论和方法论，构成了所有未来空间探索任务——无论是载人登月、火星漫游，还是小行星采样——的理论基石。掌握这些知识，是理解和设计未来航天系统的必由之路。

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