航天器气动力辅助变轨动力学与最优控制 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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页数:279

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出版时间:2006-5

价格:58.00元

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isbn号码:9787802180314

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• 航天器
• 气动力学
• 变轨
• 动力学
• 最优控制
• 航天工程
• 气动控制
• 轨道力学
• 飞行器
• 空间机动

《轨道跃迁：航天器高精度机动与推进系统解析》 本书深入探讨了在复杂深空环境中，航天器进行高精度轨道变轨的动力学原理与先进控制策略。在浩瀚宇宙的探索征途中，每一次精确的轨道调整都是对工程智慧的严峻考验。本书旨在为读者构建一个扎实的理论框架，理解航天器如何在推进力、引力扰动以及自身姿态控制的协同作用下，实现复杂多变的轨道机动。 核心内容概述： 第一部分：轨道动力学基础与扰动模型 经典轨道力学回顾： 本部分将从开普勒定律出发，系统梳理近地轨道、转移轨道、高椭圆轨道以及星际转移轨道的经典描述。详细讲解了轨道根数（如半长轴、偏心率、倾角、升交点赤经、近地点幅角）与轨道参数之间的关系，以及如何利用这些参数精确定义航天器的运动状态。 非保守力对轨道的影响： 重点分析了航天器轨道演化过程中面临的主要扰动因素。包括但不限于： 地球大气阻力： 详细阐述低轨航天器因大气密度变化、表面形状、攻角等因素导致的阻力模型，以及其对轨道衰减的长期影响。 地球非球形引力： 深入分析地球的J2、J3等谐波引力项对轨道根数（尤其是近地点幅角和升交点赤经）造成的摄动，为长周期轨道设计提供理论基础。 太阳和月球引力扰动： 解释了太阳和月球引力对高轨道和深空探测器轨道稳定性的影响，特别是对于某些特定轨道构型（如地球同步轨道、月球轨道）的长期稳定性分析。 其他扰动源： 简要介绍太阳光压、潮汐力等次要但有时不可忽略的扰动因素，并分析其在特定任务场景下的作用。 多体问题与轨道摄动理论： 介绍解决多体引力问题的解析和数值方法，重点讲解轨道摄动理论（微扰理论）的推导过程，包括拉格朗日方程和汉密尔顿方程在轨道力学中的应用，以及如何通过摄动方程描述轨道根数随时间的变化。 第二部分：推进系统与变轨机动设计 推进系统概述： 本部分详细介绍了各类航天器推进系统的原理、性能指标及其在轨道变轨任务中的适用性。 化学推进系统： 涵盖了液体火箭发动机（如单组元、双组元、三组元）和固体火箭发动机的工作原理、比冲、推力特性，以及它们在高推力、短时间轨道机动中的优势。 电推进系统： 深入分析了霍尔推进器、离子推进器、磁等离子体推力器等不同类型电推进器的物理机制、能量效率、比冲优势，以及它们在长时间、高精度轨道调整和深空探测中的重要作用。 新型推进技术简介： 简要介绍了太阳帆、核热推进等前沿推进技术的发展现状及其未来潜力。 轨道变轨机动原理： 讲解了实现轨道改变的基本机理，包括： 一次冲量（Delta-v）机动： 详细阐述了如何通过施加一次速度增量来改变轨道形状和大小，包括近地点/远地点高度调整、轨道倾角改变、交会机动等基本操作。 多次冲量机动： 探讨了分段施加速度增量以优化燃料消耗或满足特定任务约束的策略，例如霍曼转移轨道、双椭圆转移轨道等。 连续推力机动： 针对低推力推进系统，分析了如何通过长时间的连续推力累积来实现复杂的轨道设计，以及其在轨道保持和低速机动中的应用。 变轨机动设计策略： 目标轨道设计： 探讨了如何根据任务需求（如对接、着陆、科学观测、通信覆盖）确定目标轨道参数。 燃料最优化： 讲解了在给定推力约束和轨道变换要求下，如何最小化轨道变轨过程中消耗的推进剂，以最大化有效载荷或任务时长。 时间最优控制： 探讨了如何以最短时间完成轨道变轨，尤其是在规避空间碎片或快速响应天文现象等场景下。 第三部分：航天器轨道动力学方程与状态估计 非线性动力学方程： 建立航天器在考虑了引力、推进力、姿态控制力矩以及外部扰动后的六自由度（位置和速度）非线性运动方程。详细推导了欧拉-拉格朗日方程或牛顿-欧拉方程在航天器动力学建模中的应用，并考虑了航天器质量分布变化、角动量守恒等因素。 轨道状态表示： 介绍了向量表示法（如直角坐标系）和轨道根数表示法在描述航天器轨道状态时的优缺点。 航天器姿态动力学： 探讨了航天器的角动量守恒定律、刚体动力学方程（欧拉方程），以及姿态控制系统（如反作用轮、磁力矩器、推进器）如何影响航天器的姿态运动。 轨道状态估计： 卡尔曼滤波（KF）及其变种： 详细介绍扩展卡尔曼滤波（EKF）和无迹卡尔曼滤波（UKF）在融合地面观测数据（如测站跟踪数据、星光测量）与航天器模型预测，从而精确估计航天器瞬时轨道状态（位置、速度）的原理和应用。 观测模型与噪声特性： 分析了不同类型观测数据的误差模型和统计特性，以及如何将其纳入状态估计的算法设计中。 第四部分：航天器轨道最优控制理论与实现 最优控制问题表述： 将轨道变轨问题转化为一个最优控制问题，定义了目标函数（如最小化燃料消耗、最短时间、最少能量）和约束条件（如终端轨道要求、推力限制、姿态约束）。 变分法与Pontryagin最小值原理： 深入讲解了变分法的基本概念，并详细推导了Pontryagin最小值原理，将其应用于推导出轨道变轨过程中的最优控制律。 数值最优控制方法： 直接法： 介绍将连续最优控制问题离散化为非线性规划（NLP）问题，并利用序列二次规划（SQP）、内点法等数值优化算法求解的方法。 间接法： 讲解如何通过数值求解协态方程和边界条件，获得最优控制序列，并分析其在实际应用中的优势与挑战。 模型预测控制（MPC）： 探讨了MPC在在线轨道机动控制中的应用，如何利用有限的预测时域和滚动优化策略，处理实时扰动和模型不确定性，实现鲁棒的轨道控制。 最优控制律的工程实现： 讨论了如何将理论最优控制律转化为实际可执行的控制指令，包括控制器的设计、参数整定、以及在轨执行中的鲁棒性考虑。 本书特色： 本书力求在理论深度和工程实践之间取得平衡。在严谨的数学推导基础上，融入了大量实际航天任务中的案例分析和工程经验。读者将能从本书中学习到如何精确描述航天器的运动，如何设计高效的轨道机动，以及如何利用先进的控制理论来应对复杂的空间环境挑战。无论是航天器设计工程师、轨道动力学研究人员，还是对深空探索充满热情的研究生，本书都将是您宝贵的参考资源。

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内容编排上，我感觉作者在平衡理论深度与工程实用性方面做得相当到位。它不像某些纯理论教材那样，只停留在抽象的数学推导层面，而是紧密结合了实际的航天任务需求来展开讨论。例如，在介绍某些变轨策略时，作者会穿插分析在实际轨道机动过程中，如何应对大气密度不确定性带来的影响，这种“知其所以然”的讲解方式，对于我们这些既需要掌握理论基础又要求能够解决实际工程问题的专业人士来说，简直是雪中送炭。它提供的那些案例分析和仿真结果的对比，极大地增强了理论的可信度和指导意义，让人感觉手中捧着的不是一本教科书，而是一本实战手册，处处都能找到可以立即应用到项目中的灵感和方法论。

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阅读过程中，最让我感到震撼的是作者对“最优控制”理论在航天变轨问题中应用广度的挖掘。我原本以为这方面的研究已经相对成熟，但这本书展示了许多前沿的、甚至可以说是颠覆性的思路。作者似乎不满足于经典的庞特里亚金最大值原理的直接应用，而是巧妙地引入了启发式算法与精确解法的结合，尤其是在处理非光滑约束和多目标优化时表现出的那种创造性，简直令人拍案叫绝。那种层层递进的逻辑推演，仿佛带着读者走入了一个精心构建的智力迷宫，每解开一个环节，都能体验到一次智力上的跃升，深刻体会到学科交叉融合所带来的强大生命力。

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这本书的装帧设计着实让人眼前一亮，封面那种深邃的宇宙蓝配上硬朗的金属质感字体，一下子就抓住了我的眼球。初次翻阅时，那种沉甸甸的纸张质感和清晰的印刷字体，都透露出一种严谨和专业的气息。我尤其欣赏它在章节排版上的用心，图表和公式的布局既没有显得拥挤，又能恰到好处地引导读者的视线，让复杂的数学推导在视觉上变得相对友好。尤其是一些关键的物理模型插图，绘制得极为精细，即便是初次接触这类专业领域的读者，也能通过这些图示对气动外形和流场特性有一个直观的认识。总而言之，从物理层面上看，这本书的制作工艺达到了学术专著的上乘水准，让人在阅读知识内容之前，就已经对作者和出版方的专业态度肃然起敬。

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这本书的行文风格，不同于以往我读过的许多国内教材那种相对刻板、缺乏温度的笔调。作者的语言富有张力，在阐述核心概念时，既能保持学术的严谨性，又不乏一种引导者特有的耐心和洞察力。读起来，感觉就像是有一位经验极其丰富的资深专家，耐心地坐在你对面，为你细致拆解那些看似晦涩难懂的物理现象和数学模型。他对一些关键物理概念的阐释，总能找到一个非常贴切的类比，使得那些复杂的空气动力学效应和轨道力学耦合问题，突然间变得清晰明了，这种“化繁为简”的能力，绝对是衡量一本优秀专著的重要标准。

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对于希望深入研究航天动力学和控制领域的学生或者研究人员来说，这本书提供了一个极其坚实而全面的知识框架。它不仅仅是一部知识的集合，更像是一张通往更高阶研究领域的导航图。书中引用的参考文献和历史文献梳理得非常清晰，为我们指明了后续可以深入探索的方向。我特别注意到，作者在章节末尾设置的那些富有启发性的思考题，都不是那种简单的套用公式就能解决的，它们往往指向了当前领域尚未完全解决的难题，这无疑是对后学者的一种无声的激励和挑战，激发了我们去超越现有成果的雄心。

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