軌道力學(xué)

前言

本書源于作者對(duì)航天工程院校學(xué)生近十年的軌道力學(xué)教學(xué)中所形成的一系列筆記。這些學(xué)生先前并沒(méi)有接觸過(guò)此類學(xué)科，但是他們已經(jīng)完成了物理學(xué)、動(dòng)力學(xué)和高等數(shù)學(xué)（含微分方程和線性代數(shù)）等相關(guān)課程的學(xué)習(xí)，而這些就是讀者學(xué)習(xí)本書的先決條件。首先需要指出的是本書并不是對(duì)航天領(lǐng)域所有學(xué)科進(jìn)行的全方位描述，而是立足基礎(chǔ)，作為一個(gè)邁向航天領(lǐng)域尖端研究的平臺(tái)。因此，本書通過(guò)重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)物理現(xiàn)象和解析過(guò)程來(lái)掌握并預(yù)測(cè)航天器的在軌行為。盡管本書力求對(duì)讀者更具可讀性，但對(duì)需要掌握的知識(shí)難點(diǎn)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(wù)。雖然本書并未涉及航天器控制系統(tǒng)的一些重要領(lǐng)域，但是本書的內(nèi)容再加上與控制理論相關(guān)的課程可為航天器姿態(tài)控制的研究提供基礎(chǔ)?？v觀目錄可知，本書所涵蓋的知識(shí)絕非短短一個(gè)學(xué)期所能完成。第1章主要回顧了在牛頓運(yùn)動(dòng)定律以及萬(wàn)有引力定律條件下的三維空間中的矢量運(yùn)動(dòng)學(xué)。因?yàn)楹教炱鹘粫?huì)以及衛(wèi)星姿態(tài)動(dòng)力學(xué)主要涉及相對(duì)運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，所以此章亦對(duì)其進(jìn)行相關(guān)闡述。第2章介紹了經(jīng)典二體問(wèn)題的矢量解法，同時(shí)還為軌道分析提供了一系列工程計(jì)算公式。為了引入拉格朗日點(diǎn)的概念，限制性三體運(yùn)動(dòng)問(wèn)題亦在此章進(jìn)行了介紹。第3章主要推導(dǎo)不同軌道條件下與位置和時(shí)間相關(guān)的開普勒方程，同時(shí)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(diǎn)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(wèn)題的解法。此外，本章還對(duì)地球坐標(biāo)系統(tǒng)、儒略日計(jì)算和恒星時(shí)的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。第6章著重介紹了一些利用脈沖速度增量進(jìn)行軌道轉(zhuǎn)移的常用方法，即霍曼（Hohmann）轉(zhuǎn)移法、共面軌道相位調(diào)節(jié)法和非共面軌道平面變換法。第7章推導(dǎo)并運(yùn)用了相對(duì)運(yùn)動(dòng)方程來(lái)解決雙脈沖交會(huì)問(wèn)題。第8章對(duì)行星際太空任務(wù)的基本問(wèn)題作了介紹。第9章主要講述了剛體動(dòng)力學(xué)的基本知識(shí)，這些知識(shí)對(duì)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(guò)噴氣推進(jìn)、陀螺和其他設(shè)備來(lái)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(duì)多級(jí)運(yùn)載火箭的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。第1～4章是初級(jí)軌道力學(xué)課程的核心。第1章所花費(fèi)的時(shí)間取決于學(xué)生的知識(shí)背景?？梢院?jiǎn)要瀏覽一下，此后僅作為資料參考。第4章之后的學(xué)習(xí)情況取決于此課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)。第5～8章是關(guān)于軌道力學(xué)的。其中第6章軌道機(jī)動(dòng)是必學(xué)的內(nèi)容。第5、7、8章是可選內(nèi)容。但如果關(guān)于行星際太空任務(wù)的第8章是教學(xué)計(jì)劃的一部分，那么5.3 節(jié)關(guān)于蘭伯特問(wèn)題的解法也是必須要事先掌握的。如果教學(xué)目標(biāo)中有衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)的相關(guān)知識(shí)，那么第9、10章是必須學(xué)習(xí)的，同時(shí)，第5、7、8章便不需要深層次掌握。第11章是選學(xué)內(nèi)容，如果有單獨(dú)的課程，諸如火箭動(dòng)力學(xué)、推進(jìn)器理論等，可選學(xué)此章。

內(nèi)容概要

本書系統(tǒng)地介紹了航天器軌道力學(xué)及其相關(guān)知識(shí)，主要內(nèi)容包括：二體問(wèn)題、軌道的描述、初始軌道確定、軌道機(jī)動(dòng)、空間交會(huì)、行星際軌道、衛(wèi)星姿態(tài)動(dòng)力學(xué)和火箭動(dòng)力學(xué)等方面。全書內(nèi)容豐富、理論體系嚴(yán)謹(jǐn)，物理圖像清晰并配以大量通俗易懂的例題和生動(dòng)形象的插圖加以說(shuō)明，同時(shí)對(duì)一些可用于工程實(shí)踐的常用算法進(jìn)行了高度的概括與歸納，并對(duì)重點(diǎn)、難點(diǎn)處加以詳盡的解釋與說(shuō)明。此外，對(duì)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(shí)現(xiàn)亦是一筆不可多得的財(cái)富。    本書可作為高等院校相關(guān)專業(yè)的教材或參考書，也可供相關(guān)技術(shù)人員參考。    對(duì)于學(xué)生：附錄D中MATLAB程序的備份可通過(guò)網(wǎng)上訪問(wèn)公司主頁(yè)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(yīng)操作。    對(duì)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(xí)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(yīng)操作。

作者簡(jiǎn)介

作者：(美國(guó))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(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)　1.1  引言　1.2  運(yùn)動(dòng)學(xué)　1.3  質(zhì)量、力和牛頓萬(wàn)有引力定律　1.4  牛頓運(yùn)動(dòng)定律　1.5  運(yùn)動(dòng)矢量的時(shí)間導(dǎo)數(shù)　1.6  相對(duì)運(yùn)動(dòng)　習(xí)題第2章  二體問(wèn)題　2.1  引言　2.2  慣性系中的運(yùn)動(dòng)方程　2.3  相對(duì)運(yùn)動(dòng)方程　2.4  角動(dòng)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(diǎn)坐標(biāo)系　2.11  拉格朗日系數(shù)　2.12  限制性三體問(wèn)題　習(xí)題第3章  軌道位置的時(shí)間函數(shù)　3.1  引言　3.2  近地點(diǎn)時(shí)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(xí)題第4章  三維空間中的軌道　4.1  引言　4.2  地心赤經(jīng)－赤緯坐標(biāo)系　4.3  狀態(tài)向量與地心赤道坐標(biāo)系　4.4  軌道根數(shù)與狀態(tài)向量　4.5  坐標(biāo)變換　4.6  地心赤道和近焦點(diǎn)坐標(biāo)系間的坐標(biāo)變換　4.7  地球扁率的影響　習(xí)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(wèn)題　5.4  恒星時(shí)　5.5  測(cè)站坐標(biāo)系　5.6  測(cè)站赤道坐標(biāo)系　5.7  測(cè)站地平坐標(biāo)系　5.8  角度與斜距觀測(cè)數(shù)據(jù)的初始軌道確定　5.9  單純角度觀測(cè)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(xí)題第6章  軌道機(jī)動(dòng)　6.1  引言　6.2  脈沖機(jī)動(dòng)　6.3  霍曼轉(zhuǎn)移　6.4  雙橢圓霍曼轉(zhuǎn)移　6.5  調(diào)相機(jī)動(dòng)　6.6  共拱線的非霍曼轉(zhuǎn)移　6.7  拱線轉(zhuǎn)動(dòng)　6.8  追擊　6.9  非共面機(jī)動(dòng)　習(xí)題第7章  相對(duì)運(yùn)動(dòng)與交會(huì)　7.1  引言　7.2  軌道上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)　7.3  軌道相對(duì)運(yùn)動(dòng)方程的線性化　7.4  Clohessy-Wiltshire方程　7.5  雙脈沖交會(huì)機(jī)動(dòng)　7.6  鄰近圓軌道上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)　習(xí)題第8章  行星際軌道　8.1  引言　8.2  行星際霍曼轉(zhuǎn)移　8.3  交會(huì)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(huì)　8.9  行星際飛越　8.10  行星星歷表　8.11  非霍曼行星際轉(zhuǎn)移軌道　習(xí)題第9章  剛體動(dòng)力學(xué)　9.1  引言　9.2  運(yùn)動(dòng)學(xué)　9.3  平動(dòng)方程　9.4  轉(zhuǎn)動(dòng)方程　9.5  轉(zhuǎn)動(dòng)慣量　9.6  歐拉方程　9.7  動(dòng)能　9.8  旋轉(zhuǎn)陀螺　9.9  歐拉角　9.10  俯仰角、偏航角和滾轉(zhuǎn)角　習(xí)題第10章  衛(wèi)星姿態(tài)動(dòng)力學(xué)　10.1  引言　10.2  無(wú)外力矩的自由運(yùn)動(dòng)　10.3  無(wú)外力矩自由運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性　10.4  雙自旋航天器　10.5  章動(dòng)阻尼器　10.6  圓錐機(jī)動(dòng)　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(xí)題第11章  火箭動(dòng)力學(xué)　11.1  引言　11.2  運(yùn)動(dòng)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(jí)問(wèn)題　11.6  最佳級(jí)數(shù)　習(xí)題附錄A  物理數(shù)據(jù)附錄B  導(dǎo)讀圖附錄C  N體運(yùn)動(dòng)方程的數(shù)值積分法附錄D  MATLAB算法附錄E  球體的引力勢(shì)能參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

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《軌道力學(xué)》：地球觀測(cè)與導(dǎo)航技術(shù)叢書。

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