具体描述
电工电子技术基础，ISBN：9787113082581，作者：俎以宏 主编
书名：航天动力学导论 内容简介： 本书系统地介绍了航天动力学的基本原理、方法和应用，旨在为航空航天工程、空间科学及相关领域的科研人员和工程技术人员提供一部全面而深入的参考著作。内容涵盖了从经典力学基础到复杂轨道动力学的各个方面，强调理论与实践的结合，力求清晰阐述复杂的数学模型和物理概念。 第一部分：基础理论与数学工具 本部分构建了研究航天动力学所需的数学和物理基础。首先回顾了牛顿运动定律在非惯性系中的应用，特别是引入了描述火箭姿态和轨道运动的关键坐标系转换（如地心地固坐标系、轨道参考系等）。详细阐述了张量分析和矩阵理论在描述刚体运动中的重要性，包括欧拉角、四元数在描述三维空间旋转中的优势与局限性。随后，深入探讨了变质量系统的动力学，这是航天器推进系统的核心问题，重点讲解了齐奥尔科夫斯基公式的推导及其在有限推力情况下的修正。拉格朗日方程和哈密顿正则方程作为分析复杂系统能量和守恒量的有力工具，被细致地介绍，为后续的轨道优化和摄动分析奠定基础。 第二部分：轨道力学基础 这是全书的核心章节，专注于描述和预测航天器在理想两体问题下的运动规律。详细分析了开普勒定律在数学上的严格推导，并引入了轨道根数（如半长轴、偏心率、轨道倾角等六个开普勒轨道根数）来唯一确定一个轨道。本部分对轨道要素的周期性变化和长期演化进行了深入分析，并特别关注了近地轨道（LEO）和地球同步轨道（GEO）的特性。 随后，本书转向更符合实际的限制性三体问题。详细分析了太阳、地球和航天器组成的系统中的引力摄动，包括地球非球形引力（J2项为主的球形谐系数摄动）、太阳和月球的引力摄动。利用平均化方法（如拉格朗日变分方程）分析了这些摄动对轨道根数长期的影响，这对于高精度轨道预报和导航至关重要。此外，还引入了经典引力场模型（如STK、EGM2008等）的应用。 第三部分：飞行器姿态动力学 本部分聚焦于航天器自身的运动学和动力学描述。首先介绍了刚体动力学的基本概念，包括惯性张量、主轴和欧拉动力学方程。姿态的描述采用四元数和方向余弦矩阵，并分析了它们在避免奇异性方面的优势。 姿态动力学部分深入探讨了扭矩对姿态的影响。详细分析了主要的外部姿态控制力矩源，包括地球磁力矩、太阳光压力矩、大气阻力矩（针对低轨道航天器）以及内部的动量轮、反作用力矩轮（CMG/RWA）产生的控制力矩。针对非线性姿态动力学方程，本书介绍了数值求解方法以及李雅普诺夫稳定性理论在姿态稳定分析中的应用。 第四部分：推进系统与轨道机动 本部分将理论力学与实际航天任务相结合。详细分析了化学火箭的性能评估，包括比冲、推力系数和效率指标。重点讨论了变推力（低推力）推进系统，如离子电推力器的工作原理及其在长时间、高效率任务（如深空探测）中的轨道设计策略。 轨道机动的理论分析是本章的重点。包括霍曼转移轨道、双椭圆转移轨道的设计与效率对比。对于需要高精度轨道保持和姿态控制的任务，本书详细阐述了脉冲控制（Impulse Maneuver）的最小燃料消耗理论，并引入了最优控制理论（如庞特里亚金最大值原理）在计算最优转移轨迹中的应用框架。此外，对航天器在轨捕获、交会对接（Rendezvous and Proximity Operations, RPO）中的相对运动动力学进行了专门的探讨。 第五部分：高级主题与数值方法 最后一部分内容涉及现代航天任务设计中的前沿和实用技术。详细介绍了周期性轨道和日地L1, L2, L3, L4, L5拉格朗日点的稳定性分析，特别是针对这些区域的周期性轨道设计（如Halo轨道）。 在数值计算方面，本书强调了高精度积分器的选择，如龙格-库塔法（RK4, RK45）和辛积分算法（Symplectic Integrators）在长期轨道预测中的应用比较。针对高维、强耦合的非线性系统，本书概述了卡尔曼滤波在轨道确定（Orbit Determination）中的基本框架，以及如何利用观测数据（如激光测距、GPS测量）来估计和修正轨道根数，确保任务的精确执行。 本书的特点在于其严谨的理论推导、丰富的工程案例和对现代数值方法的关注，是深入理解和应用航天动力学原理的理想教材或专业参考书。
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