軌道力學

前言

本書源于作者對航天工程院校學生近十年的軌道力學教學中所形成的一系列筆記。這些學生先前并沒有接觸過此類學科，但是他們已經完成了物理學、動力學和高等數(shù)學（含微分方程和線性代數(shù)）等相關課程的學習，而這些就是讀者學習本書的先決條件。首先需要指出的是本書并不是對航天領域所有學科進行的全方位描述，而是立足基礎，作為一個邁向航天領域尖端研究的平臺。因此，本書通過重點強調物理現(xiàn)象和解析過程來掌握并預測航天器的在軌行為。盡管本書力求對讀者更具可讀性，但對需要掌握的知識難點絲毫未予以回避。近地軌道的航天器操作被考慮為行星際空間任務。雖然本書并未涉及航天器控制系統(tǒng)的一些重要領域，但是本書的內容再加上與控制理論相關的課程可為航天器姿態(tài)控制的研究提供基礎。縱觀目錄可知，本書所涵蓋的知識絕非短短一個學期所能完成。第1章主要回顧了在牛頓運動定律以及萬有引力定律條件下的三維空間中的矢量運動學。因為航天器交會以及衛(wèi)星姿態(tài)動力學主要涉及相對運動問題，所以此章亦對其進行相關闡述。第2章介紹了經典二體問題的矢量解法，同時還為軌道分析提供了一系列工程計算公式。為了引入拉格朗日點的概念，限制性三體運動問題亦在此章進行了介紹。第3章主要推導不同軌道條件下與位置和時間相關的開普勒方程，同時介紹了全局變量的概念。第4章描述了三維空間中的軌道形態(tài)，并闡述了地球扁率、非球形等主要影響。第5章重點講述了初始軌道的確定方法，即吉伯斯法、高斯法和蘭伯特問題的解法。此外，本章還對地球坐標系統(tǒng)、儒略日計算和恒星時的相關知識進行了簡要介紹。第6章著重介紹了一些利用脈沖速度增量進行軌道轉移的常用方法，即霍曼（Hohmann）轉移法、共面軌道相位調節(jié)法和非共面軌道平面變換法。第7章推導并運用了相對運動方程來解決雙脈沖交會問題。第8章對行星際太空任務的基本問題作了介紹。第9章主要講述了剛體動力學的基本知識，這些知識對于分析在軌衛(wèi)星姿態(tài)是十分重要的。第10章主要介紹了通過噴氣推進、陀螺和其他設備來改變、穩(wěn)定和控制航天器姿態(tài)的一些常用方法。第11章對多級運載火箭的特點和設計進行了簡要介紹。第1～4章是初級軌道力學課程的核心。第1章所花費的時間取決于學生的知識背景。可以簡要瀏覽一下，此后僅作為資料參考。第4章之后的學習情況取決于此課程的學習目標。第5～8章是關于軌道力學的。其中第6章軌道機動是必學的內容。第5、7、8章是可選內容。但如果關于行星際太空任務的第8章是教學計劃的一部分，那么5.3 節(jié)關于蘭伯特問題的解法也是必須要事先掌握的。如果教學目標中有衛(wèi)星動力學的相關知識，那么第9、10章是必須學習的，同時，第5、7、8章便不需要深層次掌握。第11章是選學內容，如果有單獨的課程，諸如火箭動力學、推進器理論等，可選學此章。

內容概要

本書系統(tǒng)地介紹了航天器軌道力學及其相關知識，主要內容包括：二體問題、軌道的描述、初始軌道確定、軌道機動、空間交會、行星際軌道、衛(wèi)星姿態(tài)動力學和火箭動力學等方面。全書內容豐富、理論體系嚴謹，物理圖像清晰并配以大量通俗易懂的例題和生動形象的插圖加以說明，同時對一些可用于工程實踐的常用算法進行了高度的概括與歸納，并對重點、難點處加以詳盡的解釋與說明。此外，對于讀者而言，書后附錄所給出的一些航天軌道方面常用算法的MATLAB實現(xiàn)亦是一筆不可多得的財富。    本書可作為高等院校相關專業(yè)的教材或參考書，也可供相關技術人員參考。    對于學生：附錄D中MATLAB程序的備份可通過網(wǎng)上訪問公司主頁下載完成。登陸網(wǎng)址http：／／books.elsevier.com／companions根據(jù)屏幕提示便可完成相應操作。    對于老師：教師可以獲得一本完全的教科書，其中含有詳盡的課后習題解答。登陸網(wǎng)址http：／／books.elsevier.com／manuals根據(jù)屏幕提示便可完成相應操作。

作者簡介

作者：(美國)柯蒂斯(Howard D.Curtis) 譯者：周建華 徐波 馮全勝

書籍目錄

前言第1章  質點動力學　1.1  引言　1.2  運動學　1.3  質量、力和牛頓萬有引力定律　1.4  牛頓運動定律　1.5  運動矢量的時間導數(shù)　1.6  相對運動　習題第2章  二體問題　2.1  引言　2.2  慣性系中的運動方程　2.3  相對運動方程　2.4  角動量和軌道方程　2.5  能量定律　2.6  圓軌道（e=0）　2.7  橢圓軌道（0＜e＜1）　2.8  拋物線軌道（e=1）　2.9  雙曲線軌道（e>1）　2.10  近焦點坐標系　2.11  拉格朗日系數(shù)　2.12  限制性三體問題　習題第3章  軌道位置的時間函數(shù)　3.1  引言　3.2  近地點時刻　3.3  圓軌道　3.4  橢圓軌道　3.5  拋物線軌道　3.6  雙曲線軌道　3.7  全局變量　習題第4章  三維空間中的軌道　4.1  引言　4.2  地心赤經－赤緯坐標系　4.3  狀態(tài)向量與地心赤道坐標系　4.4  軌道根數(shù)與狀態(tài)向量　4.5  坐標變換　4.6  地心赤道和近焦點坐標系間的坐標變換　4.7  地球扁率的影響　習題第5章  初始軌道確定　5.1  引言　5.2  吉伯斯三位置矢量定軌法　5.3  蘭伯特問題　5.4  恒星時　5.5  測站坐標系　5.6  測站赤道坐標系　5.7  測站地平坐標系　5.8  角度與斜距觀測數(shù)據(jù)的初始軌道確定　5.9  單純角度觀測數(shù)據(jù)的初始軌道確定　5.10  初始軌道確定的高斯方法　習題第6章  軌道機動　6.1  引言　6.2  脈沖機動　6.3  霍曼轉移　6.4  雙橢圓霍曼轉移　6.5  調相機動　6.6  共拱線的非霍曼轉移　6.7  拱線轉動　6.8  追擊　6.9  非共面機動　習題第7章  相對運動與交會　7.1  引言　7.2  軌道上的相對運動　7.3  軌道相對運動方程的線性化　7.4  Clohessy-Wiltshire方程　7.5  雙脈沖交會機動　7.6  鄰近圓軌道上的相對運動　習題第8章  行星際軌道　8.1  引言　8.2  行星際霍曼轉移　8.3  交會窗口　8.4  影響球　8.5  圓錐曲線拼接法　8.6  行星際出發(fā)　8.7  敏感度分析　8.8  行星際交會　8.9  行星際飛越　8.10  行星星歷表　8.11  非霍曼行星際轉移軌道　習題第9章  剛體動力學　9.1  引言　9.2  運動學　9.3  平動方程　9.4  轉動方程　9.5  轉動慣量　9.6  歐拉方程　9.7  動能　9.8  旋轉陀螺　9.9  歐拉角　9.10  俯仰角、偏航角和滾轉角　習題第10章  衛(wèi)星姿態(tài)動力學　10.1  引言　10.2  無外力矩的自由運動　10.3  無外力矩自由運動的穩(wěn)定性　10.4  雙自旋航天器　10.5  章動阻尼器　10.6  圓錐機動　10.7  姿態(tài)控制推力器　10.8  yo-yo消旋原理　10.9  陀螺姿態(tài)控制　10.10  重力梯度穩(wěn)定　習題第11章  火箭動力學　11.1  引言　11.2  運動方程　11.3  推力方程　11.4  火箭性能　11.5  自由空間中的火箭分級問題　11.6  最佳級數(shù)　習題附錄A  物理數(shù)據(jù)附錄B  導讀圖附錄C  N體運動方程的數(shù)值積分法附錄D  MATLAB算法附錄E  球體的引力勢能參考文獻

章節(jié)摘錄

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《軌道力學》：地球觀測與導航技術叢書。

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