航天器轨道机动动力学 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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页数:550

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出版时间:2010-12

价格:128.00元

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isbn号码:9787802188709

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《行星际航行：引力、燃料与时空几何》 一本关于宇宙尺度下物体运动与控制的深度探讨 书籍概述： 本书《行星际航行：引力、燃料与时空几何》并非专注于地球近地轨道或大气层内的飞行器设计与控制，而是将视角投向广袤的太阳系乃至更远的星际空间。它深入剖析了在极端引力场环境和近真空条件下，航天器如何实现精确、高效的轨迹规划与机动。全书以严谨的数学物理模型为基础，结合前沿的控制理论与推进技术，为读者构建了一个全方位的行星际飞行动力学框架。 核心内容深度解析： 第一部分：引力场基础与开普勒运动的延伸 本部分首先回顾了经典牛顿万有引力定律在多体系统中的应用，但重点立即转向了对太阳系复杂引力环境的建模。 1.1 多体问题与摄动理论： 我们不再满足于简单的二体问题解，而是详细阐述了太阳系八大行星、主要卫星以及小行星带对探测器轨道产生的摄动力（Perturbations）。这包括如何利用拉格朗日微扰公式和庞加莱-林德斯特德方法来解析（或半解析地）计算这些长期、微小的轨道漂移。讨论了共振现象，例如在小行星带中与木星的轨道共振对长期任务稳定性的影响。 1.2 广义相对论的修正效应： 在高精度深空探测（如水星任务或高精度引力场测量）中，经典力学已不足以描述现象。本章详细引入了爱因斯坦的广义相对论（GR）效应。重点分析了引力场导致的时间膨胀和空间弯曲对飞行时间计算和观测数据还原的修正。特别关注了水星近日点进动、雷达信号延迟（Shapiro Delay）的精确计算模型。 1.3 地球、月球系统（EML）的复杂动力学： 虽然本书关注行星际，但任务发射和地球返回仍是关键。本章深入探讨了三体问题（地球-月球-航天器）的限制性解，特别是拉格朗日点（Lagrange Points, L1至L5）的稳定性分析。我们详细介绍了如何利用晕轮轨道（Halo Orbits）和李雅普诺夫（Lyapunov）稳定性判据来设计稳定驻留的通信中继站或观测平台。 第二部分：高能效推进与轨迹优化 行星际机动对燃料效率的要求极为苛刻。本部分聚焦于如何以最小化推进剂消耗实现复杂的轨道转移。 2.1 经典霍曼转移的局限性与改进： 详细分析了霍曼转移（Hohmann Transfer）的理论优势与实际操作中的不足，特别是其对精确发射窗口的依赖。随后引入了双椭圆转移和多圈转移策略，用以降低瞬时速度增量（Delta-V）的要求，换取更长的转移时间。 2.2 动力学约束下的变分法： 这是本书的核心理论部分之一。我们应用庞特里亚金极小原理（Pontryagin's Minimum Principle, PMP）来推导最优推力方向和大小的条件。针对化学火箭，这导出了燃料消耗最小的“扫掠”（Goddard）轨迹。针对低推力系统（如下文所述），则推导了能量最优的控制律。 2.3 低推力推进与太阳帆： 详细分析了离子推进器、霍尔推进器等高比冲（High Specific Impulse, $I_{sp}$）推进系统的物理特性和性能模型。着重探讨了螺旋形轨迹的生成：如何在数月乃至数年的时间尺度上，通过微小而连续的推力，实现跨越数个天文单位的路径优化。此外，对太阳帆（Solar Sail）的受光压力模型、材料特性和最优绕日/绕行星的“之”字形（Bi-Conic）机动进行了详尽的数学建模。 第三部分：导航、制导与深空通信延迟补偿 在数亿公里之外，实时控制是不可能的。本部分探讨了在通信延迟下实现自主导航与机动的技术。 3.1 导航误差传播与卡尔曼滤波的拓展： 深空探测器的导航依赖于星光观测和行星际测距（如激光测距）。本章解释了如何将扩展卡尔曼滤波（EKF）和无迹卡尔曼滤波（UKF）应用于非线性动力学模型中，实时估计和修正探测器的位置和速度向量。重点关注了由于太阳风和地球跟踪网络误差引入的噪声处理。 3.2 惯性测量单元（IMU）的漂移校正： 在长达数年的任务中，陀螺仪和加速度计的累积误差必须通过定期的天体导航（Astro-navigation）观测进行校正。详细介绍了如何利用已知恒星或行星的位置，对IMU误差参数进行迭代优化估计。 3.3 远程制导策略： 针对通信延迟，系统必须预先规划多段轨迹。我们分析了基于模型预测控制（Model Predictive Control, MPC）的深空版本，即在地面上传输一个短期、可重规划的控制序列，让航天器在无法实时通信的情况下，根据预设的约束条件自主执行机动。 第四部分：星际旅行的初步探索与相对论效应 本书的最终章节将目光投向太阳系之外的领域，探讨了更具挑战性的物理限制。 4.1 恒星际介质与微小撞击风险： 模拟了航天器在星际空间中穿越稀薄的星际物质（ISM）时受到的阻力效应，以及高速撞击微小尘埃粒子的动能评估。 4.2 相对论性航行（概念探讨）： 虽非工程实践，但本章对基于现有物理学框架下，实现接近光速飞行的理论障碍进行了探讨。这包括对洛伦兹变换在推进系统设计中的含义、相对论性多普勒效应如何影响遥测信号，以及推进系统效率的极限分析。 总结： 《行星际航行：引力、燃料与时空几何》是一部面向高年级本科生、研究生以及专业航天工程师的参考书。它侧重于“如何用最少的资源到达最远的目标”这一核心命题，提供了从经典力学到相对论修正的完整数学工具箱，是理解和设计未来太阳系探测乃至深空任务动力学和导航系统的基石读物。

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这本书最让我感到震撼的是其对实际工程挑战的直面态度。很多理论书籍在讲完完美情况下的解决方案后就戛然而止，但本书在后续章节中花了大量篇幅去探讨现实世界中的“不完美”：传感器噪声如何影响实时导航的精度、有限推力饱和如何影响最优解的可行性，以及在通信延迟下的自主决策问题。这些章节的内容似乎更贴近一线工程师的实际工作日志，充满了对现实限制的妥协与创新。例如，作者在讨论行星际导航时，并未回避深空探测器信号微弱、数据回传周期长这一核心难题，而是提出了基于模型预测控制（MPC）的自适应修正方案，这显示出作者不仅是理论家，更是深刻理解工程实践限制的专家。它成功地将理论的优雅性与工程的粗砺性结合在了一起，形成了一种既有深度又有广度的独特价值。

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这本书的装帧设计着实让人眼前一亮，封面那种深邃的蓝色调，配上简洁的白色字体，立刻就给人一种专业而又充满未来感的印象。拿到手里分量十足，纸张的质感也非常好，翻阅时那种顺滑的感觉，让人忍不住想多看几页。不过，我更关注的是它的内在。我原本以为这会是一本枯燥的教科书，充满了晦涩的公式和复杂的推导，但阅读下来发现作者的叙述方式相当有章法。它似乎更像是一份精心绘制的地图，引导着读者从最基础的概念一步步深入到复杂的系统层面。尽管内容深度要求很高，但作者似乎很懂得如何平衡理论的严谨性和可读性，这一点在涉及到一些经典轨道机动案例的分析时尤为明显。通过一些精心挑选的图示，那些原本抽象的向量和坐标系变化似乎都变得触手可及。对于任何一个想对航天器在太空中“跳舞”的原理有深入了解的人来说，这本书的开篇布局无疑是成功且引人入胜的。它成功地搭建了一个坚实的知识基石，让人对接下来的旅程充满期待。

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我花了很长时间才真正消化完书中关于高维状态估计和非线性控制理论的那几个章节。坦白说，这部分内容的密度非常高，即便是对我这种对控制理论有一定背景的人来说，也需要反复研读，时不时地停下来，在草稿纸上进行验证和推导。作者在这里展现出的专业功底令人钦佩，他没有采取那种浅尝辄止的介绍方式，而是深入到了算法的数学本质。比如，在讨论卡尔曼滤波的扩展形式时，对雅可比矩阵的选取和误差协方差的传播路径分析得极为透彻。我特别欣赏作者在引入新概念时，总会配上一个简洁但又贴切的工程实例作为佐证，这极大地帮助我理解抽象的数学工具如何应用于实际的轨道修正任务中。然而，这也意味着这本书的门槛相当高，如果读者缺乏扎实的微积分和线性代数基础，可能会在这些章节遇到明显的阅读障碍。它更像是一本为研究生或资深工程师准备的参考手册，而不是给初学者的入门读物。

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这本书的排版和索引系统做得非常出色，这在动辄几百页的专业技术书籍中往往容易被忽略。我经常需要快速定位到某个特定的轨道摄动模型或某个具体的推进器性能参数定义，而这本书的章节划分和术语表（Glossary）几乎总能让我迅速找到所需信息。此外，书中引用的参考文献列表详尽而权威，涵盖了近几十年来该领域的关键文献，这为读者提供了进一步钻研的可靠路径。从内容组织上看，它巧妙地在技术细节和宏观概念之间进行了穿插，使得阅读体验不至于过度单调。例如，在详细讨论了轨道摄动对长期轨道保持的影响后，紧接着会有一个总结性的图表，概括了不同摄动源的相对重要性，这种结构安排，极大地提高了知识吸收的效率。它体现了一种对读者时间高度尊重的编纂态度。

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这本书在处理任务规划和最优控制这一块，我认为达到了一个很高的水准。它不仅仅停留在“如何做机动”的层面，而是深入探讨了“为什么选择这个机动”以及“如何用最低成本实现目标”。作者对蒲 جب 朗日乘子法在轨道转移优化中的应用进行了非常细致的讲解，特别是如何将边界约束和路径约束有效地融入到Hamiltonian函数中，这部分内容是我之前在其他资料中很少见到的深度。当我阅读到关于变分计算如何指导燃料最优分配的那一节时，我仿佛能看到工程师们在计算资源极其有限的情况下，如何精妙地设计他们的航天器飞行路径。尽管其中涉及的数值求解方法（比如伪谱法）相对前沿，但作者的阐述逻辑清晰，使得复杂的优化问题逐步分解成可管理的子问题。这本书对于希望深入研究未来深空探测任务轨迹设计的专业人士来说，无疑是一笔宝贵的财富。

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