Spaceflight Mechanics 1998 (Advances in the Astronautical Sciences) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Univelt

作者:

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:1998-08

价格:USD 280.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9780877034506

丛书系列:

图书标签:

• Spaceflight Mechanics
• Astrodynamics
• Orbital Mechanics
• Spacecraft Trajectory
• Celestial Mechanics
• Aerospace Engineering
• Astronautics
• Space Exploration
• Flight Dynamics
• Orbital Transfers

《天体动力学导论：轨道设计与任务规划》 本书概述 《天体动力学导论：轨道设计与任务规划》是一部深入探讨航天器动力学基础、轨道设计方法以及复杂航天任务规划的综合性教材。本书旨在为航空航天工程、物理学及相关领域的高年级本科生、研究生以及工程专业人士提供一个全面而严谨的理论框架与实践工具。全书内容聚焦于经典理论的扎实建立与现代任务分析的应用，力求在严谨的数学推导和直观的物理图像之间取得完美平衡。 第一部分：基础理论与轨道力学 本书的第一部分奠定了天体动力学分析的数学和物理基础。 第一章：开普勒定律与牛顿引力定律的复习与扩展 本章从历史角度回顾了开普勒对行星运动的精确描述，并将其与牛顿万有引力定律相结合。重点讨论了在二体问题框架下的精确解——圆锥曲线轨道（椭圆、抛物线、双曲线）的数学表示。详细阐述了轨道要素（如半长轴、偏心率、倾角、升交点赤经、近拱点幅角和真近点角）的定义及其相互转换的矩阵方法。此外，还引入了中心引力场中，能量和角动量守恒的物理意义，并讨论了这些守恒量如何决定轨道的几何形状。 第二章：二体问题的高级分析 本章深入探讨了二体问题的数学结构。首先介绍了拉普拉斯-朗格朗日（Laplace-Lagrange）不变性，解释了为什么轨道形状在不受摄动影响时是恒定的。随后，详细推导了轨道根数的任意变量随时间的变化率（即变轨方程）的推导方法，主要基于牛顿第二定律在轨道坐标系下的分量形式。本章还包括了对轨道周期和轨道速度的精确计算，并对比了使用不同坐标系（如地心惯性系、惯性系与非惯性系）进行分析的优缺点。 第三章：三体问题简介与摄动理论的引入 虽然精确解析三体问题是不可行的，但本章仍对该问题进行了重要的理论铺垫。首先介绍了限制性三体问题（Restricted Three-Body Problem, RTBP）的建立，重点分析了日地系统中的拉格朗日点（L1到L5）。通过引入雅可比积分，展示了在特定参考系下能量的近似守恒。随后，本章转向摄动理论的开端，引入了拉格朗日变量（Lagrange Planetary Equations）和汉密尔顿-雅可比方法，为分析微小摄动（如大气阻力、微小推力、行星引力）奠定了数学工具。 第二部分：轨道机动与传递设计 第二部分是本书的核心应用部分，专注于航天器轨道改变的策略和技术。 第四章：轨道机动的基础——霍曼转移与低能耗转移 本章详尽分析了最基础的轨道转移技术。详细推导了霍曼转移轨道（Hohmann Transfer）的参数，包括所需的总速度增量 ($Delta V$)、转移时间和燃料消耗比。随后，扩展讨论了非对称转移、双椭圆转移（Bifocal Transfer）的应用场景。重点对比了“高能耗、短时间”与“低能耗、长时间”转移策略之间的权衡。此外，本章还引入了低能耗转移（Low-Energy Transfers, LET）的概念，讨论了在行星际任务中，如何利用拉格朗日点的稳定性和引力助推效应来最小化燃料需求。 第五章：有限推力机动与轨道控制 本章超越了瞬时脉冲（Impulsive Maneuvers）的理想化模型，探讨了有限推力（Finite Burn）的影响。详细分析了推力方向、推力大小与轨道形状改变之间的关系。引入了最优控制理论的初步概念，如庞特里亚金最大值原理在轨道转移问题中的初步应用，用于确定在给定燃料约束下的最优推力配置。本章也包括了航向保持（Station-Keeping）的实际问题，例如地球静止轨道（GEO）上的南北向保持。 第六章：引力助推（Gravity Assist）技术 引力助推（或称行星际飞越）是深空探测任务的核心技术。本章从动量和能量守恒的角度，清晰地解释了航天器如何通过与行星的近距离接触，改变自身速度的方向和大小。详细分析了行星飞越过程中的“窗口”选择，包括太阳系内轨道平面变化（Plane Change）和速度增益（Speed-Up）的计算方法。通过实际案例，如旅行者号（Voyager）任务，说明了引力助推如何实现以前无法想象的深空探测目标。 第三部分：轨道环境与摄动分析 第三部分关注航天器所处的真实动力学环境，以及这些环境因素对长期轨道维持的影响。 第七章：地球引力场的非球形摄动 地球并非理想的质点，其引力场的不均匀性是影响近地轨道（LEO）航天器寿命的主要因素。本章系统地介绍了地球引力的球谐函数展开（Spherical Harmonics Expansion），特别是 $J_2$ 项的影响。详细推导了 $J_2$ 项对近拱点和升交点位置的周期性改变（即进动）。本章还讨论了高阶谐波系数（如 $J_3, J_4$ 等）对轨道形状的微小但重要的影响，并引入了平均轨道根数（Mean Orbital Elements）的概念，以平滑地表示轨道参数随时间的演化。 第八章：大气阻力与轨道衰减 对于低地球轨道（LEO）航天器，大气阻力是主要的轨道耗散力。本章构建了大气阻力模型，包括简化的指数大气模型和更精确的密度模型。详细分析了阻力对轨道偏心率、轨道高度和轨道周期的影响。推导了阻力引起的轨道衰减率公式，并讨论了如何利用轨道周期的变化来反演特定高度的大气密度。本章还讨论了再入动力学的基础，包括再入角度对再入安全性和焚毁率的影响。 第九章：其他主要摄动因素 本章探讨了除引力场不均匀和大气阻力之外的其他重要摄动：太阳辐射压力（Solar Radiation Pressure, SRP）和月球及太阳的微扰。详细分析了SRP如何影响轨道的高偏心率分量，特别是对于高轨道的卫星，如地球静止轨道卫星。最后，对三体问题的周期性运动进行了更深入的探讨，分析了月球和太阳对GEO卫星的周期性牵引如何导致其位置漂移，以及由此产生的保持需求。 第四部分：任务规划与轨道确定 本书的最后一部分将理论与实际的航天任务规划和导航联系起来。 第十章：轨道确定与状态估计 航天器的成功运行依赖于精确地确定其当前轨道（轨道确定）。本章介绍了轨道确定所需的基本观测数据（如测距、多普勒频移）。详细介绍了卡尔曼滤波（Kalman Filtering）在航天器状态估计中的应用，包括扩展卡尔曼滤波（EKF）的推导和实际操作步骤。讨论了观测残差分析在识别模型误差和传感器偏差中的作用。 第十一章：轨道机动规划与时间窗分析 本章聚焦于如何将理论转移设计转化为可执行的任务计划。详细介绍了转移轨道的时间窗分析，包括发射窗口的确定（基于地球自转和目标轨道相对位置）。讨论了多目标优化问题，例如如何在满足多个约束条件（如最后距离、总 $Delta V$ 预算、时间限制）下找到最优的转移轨迹。本章还包括了对火星和金星等行星际任务的发射窗口计算方法。 结论 《天体动力学导论：轨道设计与任务规划》通过对经典力学原理的扎实讲解，结合现代航天任务中面临的实际挑战，为读者提供了一个全面、实用的知识体系。本书的结构旨在引导读者从抽象的数学模型逐步过渡到具体的工程应用，是理解和设计未来航天任务的必备参考资料。

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