小行星探测器轨道力学 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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姜宇，李恒年 著

图书标签:

• 轨道力学
• 小行星探测
• 航天器动力学
• 天体力学
• 空间机制
• 轨道设计
• 姿态控制
• 行星科学
• 航天工程
• 优化算法

出版社： 中国宇航出版社

ISBN：9787515912721

版次：1

商品编码：12172614

包装：精装

开本：32开

出版时间：2017-01-01

用纸：胶版纸

页数：398

正文语种：中文

内容简介

　　小行星是太阳系形成的残余碎片。小行星和双小行星系统、三小行星系统中的动力学问题和探测器轨道设计的研究，不仅有助于我们理解太阳系中各类小行星、双小行星系统、三小行星系统的早期形成与演化机制，也有助于我们设计满足各类应用需求的探测器轨道及轨道控制方法。此外。我国未来小行星和彗星探测任务需求也对深入研究小行星附近的动力学问题提出了诸多挑战。《小行星探测器轨道力学》立足于介绍小行星和多小行星系统的动力学的内在机制，设计合适的小行星环绕探测任务轨道，以解决小行星附近动力学的理论与实际问题。《小行星探测器轨道力学》面向的读者是从事航天动力学、天体力学、深空探测、轨道设计以及制导、导航与控制等专业的研究人员和工程技术人员，也可以作为相关领域的高校教师和研究生的参考书。

目录

第1章 引论
1．1 研究背景与意义
1．2 小行星的引力场模型的研究现状
1．2．1 球谐与椭球谐函数摄动展开模型
1．2．2 简单体模型
1．2．3 多面体模型
1．2．4 离散元模型
1．3 单个小行星附近的动力学研究现状
1．3．1 周期轨道和拟周期轨道
1．3．2 平衡点的位置与拓扑类型
1．3．3 流形
1．3．4 周期轨道族的分岔
1．3．5 共振的类型
1．3．6 混沌
1．3．7 不规则小行星表面运动、跃迁与软着陆
1．4 双小行星系统动力学研究现状
1．4．1 双小行星系统简单模型假定及动力学研究
1．4．2 双小行星系统观测与系统动力学参数计算
1．4．3 双小行星系统的日心轨道与共振
1．4．4 双小行星系统的稳定性
1．5 三小行星系统动力学研究现状
1．5．1 三小行星系统观测与动力学参数计算
1．5．2 三小行星系统的稳定性
1．6 小行星与多小行星系统动力学计算方法研究现状
1．6．1 小行星附近周期轨道的计算方法
1．6．2 小行星相对平衡点的位置与特征值的计算方法
1．6．3 双小行星系统的动力学计算方法
1．7 本书章节内容
参考文献

第2章 小天体引力场建
2．1 引言
2．2 多面体引力的计算
2．2．1 多面体引力势
2．2．2 多面体引力
2．2．3 多面体引力梯度矩阵
2．2．4 计算过程概要
2．3 双小行星系统多面体引力的计算
2．3．1 多面体体积分转化为线积分
2．3．2 双多面体上的体积分与级数展开近似
2．3．3 符号简化
2．3．4 级数展开的逐项积分
2．3．5 双多面体引力积分的计算过程
2．3．6 双小行星系统共有势及受力的计算
2．3．7 每一个不规则小行星受另一个不规则小行星的力矩
2．3．8 双不规则小行星引力全二体问题动力学方程
2．4 多小行星系统动力学建模的颗粒物质离散元方法
2．4．1 仅有引力无碰撞情况下的动力学
……

第3章 小行星引力场中的动力学方程与有效势
第4章 平面对称引力场中平衡点的稳定性及其附近的轨道与流形
第5章 强不规则小行星引力场中平衡点局部的动力学
第6章 强不规则小行星引力场中的大范围周期轨道及分岔
第7章 参数变化下小行星平衡点的碰撞与湮灭
第8章 双小行星系统探测器动力学
第9章 多小行星系统探测器动力学

《星际航行与天体动力学基础》 本书简介 《星际航行与天体动力学基础》是一部全面深入探讨航天器动力学、轨道设计、深空探测任务规划以及相关数学物理原理的权威著作。本书旨在为航天工程专业的学生、从事轨道设计和任务规划的工程师，以及对天体物理和空间科学感兴趣的研究人员提供一个坚实而系统的理论基础和实践指南。 本书内容涵盖了从牛顿经典力学在轨道运动中的应用，到现代高精度轨道确定与预报的复杂算法，内容详实，逻辑严谨，力求在理论深度与工程应用之间找到完美的平衡。全书共分为五大部分，共十五章。 --- 第一部分：轨道力学基础 本部分是全书的基石，重点回顾和深化了描述物体在引力场中运动所需的数学和物理工具。 第一章：经典力学与引力定律的回顾 本章首先从牛顿万有引力定律出发，系统回顾了经典力学中描述运动的基本概念，如质量、力、能量和角动量。着重介绍了开普勒三大定律的物理本质及其在简化两体问题中的应用。讨论了惯性系与非惯性系下的运动描述，为后续引入非保守力与摄动力分析奠定基础。 第二章：两体问题与轨道根数 深入解析了理想两体问题（即仅受中心天体重力作用）的解析解。详细推导了轨道形状（椭圆、抛物线、双曲线）与轨道能量和角动量的关系。本章的核心是系统介绍六根数（或广义轨道根数）的定义、物理意义及其在描述瞬时轨道状态中的作用。探讨了如何通过轨道根数快速推算未来任意时刻的航天器位置和速度。 第三章：轨道机动与转移 本章聚焦于如何改变航天器的轨道——即轨道机动。详细分析了霍曼转移轨道的原理和计算方法，这是实现行星际转移的经典且高效的方式。此外，还涵盖了更为复杂的轨道修改技术，如轨道倾角、升交点或近拱点高度的改变。引入了比冲（Characteristic Energy）和$Delta V$（速度增量）的概念，用于量化机动所需的燃料效率和推进剂消耗。 --- 第二部分：摄动理论与高精度轨道传播 在真实的太空中，航天器并不仅仅受到一个中心天体的引力。本部分将引入更为复杂的摄动效应，并探讨如何进行高精度轨道预报。 第四章：主要摄动力分析 系统分析了影响近地轨道（LEO）和地球静止轨道（GEO）航天器的主要摄动力： 1. 地球非球形引力摄动：详细介绍了地球重力场模型（如J2效应，球谐函数展开），并量化了这些不规则引力对轨道长时间演化的影响，特别是对轨道升交点和近地点漂移的贡献。 2. 大气阻力：针对低轨道航天器，详细讨论了大气密度的模型（如NRLMSISE-00），以及如何根据航天器外形参数计算阻力，并将其纳入轨道动力学方程。 3. 其他微小摄动力：包括太阳辐射压力（SRP）和月地引力摄动，尤其强调了SRP在深空探测器轨道维持中的重要性。 第五章：变分方程与数值积分 在引入摄动力后，轨道方程通常无法解析求解。本章转向数值方法。首先，推导了轨道状态矢量对初始条件的敏感性——变分方程，这是进行轨道确定和长期预报误差分析的关键。随后，详细介绍了主流的高精度数值积分方法，包括龙格-库塔法（Runge-Kutta methods）和高阶的预测-校正（Predictor-Corrector）方法，并讨论了如何选择合适的步长和精度控制策略。 --- 第三部分：深空任务轨道设计 本部分将理论应用于星际和行星际任务，探讨如何利用天体间的引力相互作用实现高效的航行。 第六章：n体问题与限制性三体问题 超越简单的两体模型，本章引入了限制性三体问题（如日-地-航天器系统）。重点讲解了拉格朗日点（L点）的原理、存在性及其在空间观测站和通信中继中的应用。讨论了围绕L点的周期性轨道，如晕轮轨道（Halo Orbits）。 第七章：重力助推技术（Gravity Assist） 重力助推是行星际任务节约燃料的关键技术。本章详细解析了重力助推的物理机制，即航天器如何通过与行星的近距离飞越，实现动量交换。推导了飞越过程中的速度变化量（$Delta V$）计算公式，并展示了如何利用多行星助推序列（Gravity Assist Sequences）设计复杂的星际转移轨迹。 第八章：弹道捕获与行星际转移轨迹 探讨了航天器如何从转移轨道进入目标天体轨道的技术。着重介绍弹道捕获（Ballistic Capture）的概念，这是一种利用目标天体引力场自然减速的低能耗捕获方式。对比分析了不同类型的转移轨道，如快速转移与低能耗转移路径的选择准则。 --- 第四部分：轨道确定与导航 准确知道航天器当前在太空中的位置是所有任务成功的先决条件。本部分关注如何从观测数据中推算轨道。 第九章：观测量的类型与误差源 系统分类了航天器导航中使用的观测数据类型，包括： 1. 角度观测：地心赤经、赤纬。 2. 测距观测：单向或双向测距（Range）。 3. 多普勒观测：用于推算相对速度。 详细分析了每种观测量在不同任务阶段（如近地、地月转移、深空）的适用性及其主要的误差来源。 第十章：轨道确定基础——初始定轨 介绍了初始定轨的基本方法，如牛顿法、高斯法和拉格朗日法（用于处理弧段数据）。重点阐述了牛顿-拉夫逊迭代法在线性化轨道方程中如何收敛到最优轨道解。 第十一章：滤波技术在轨道导航中的应用 本章转向处理实时观测数据和处理不确定性的问题。详细介绍了卡尔曼滤波（Kalman Filtering）及其在轨道估计中的应用，包括扩展卡尔曼滤波（EKF）和无迹卡尔曼滤波（UKF）在处理非线性轨道动力学系统中的优势和实现细节。讨论了如何利用滤波技术进行状态估计和预报误差的协方差分析。 --- 第五部分：姿态动力学与相对运动 除了轨道位置，航天器的姿态控制也是确保任务成功的关键要素。 第十二章：刚体动力学与陀螺仪效应 本章引入了航天器姿态的运动描述。从刚体运动的基本方程（欧拉方程）出发，描述了航天器在外部力矩作用下的姿态变化。详细解释了陀螺仪效应（或进动）的物理原理及其在姿态稳定的作用。 第十三章：姿态描述与变换 系统介绍了描述航天器姿态的数学工具，包括欧拉角（及其万向节锁定问题）、旋转矩阵和四元数（Quaternions）。重点强调四元数在姿态动力学计算中的优越性。阐述了不同坐标系之间的姿态变换（如地固系到航天器体坐标系）。 第十四章：姿态控制与执行器 讨论了航天器姿态控制系统的组成和工作原理。详细介绍了常用的姿态执行器，如反作用轮（Reaction Wheels）、动量轮（Momentum Wheels）和磁力矩器（Magnetorquers），并分析了它们在不同任务场景下的优缺点。 第十五章：相对运动与编队飞行 最后，本章探讨了多个航天器在同一任务中如何相互定位和控制。推导了相对轨道动力学方程，重点分析了虚拟惯性系（V-Bar/R-Bar）和线性二体近似（Clohessy-Wiltshire方程），为近距离交会对接和航天器编队飞行提供了必要的理论工具。 --- 本书的特点在于，它不仅提供了严谨的理论推导，更穿插了大量实际工程案例和数值模拟的讨论，确保读者能够将理论知识有效地转化为解决实际轨道力学问题的能力。书后附有详尽的附录，包含常用积分表、数学函数库的实现建议以及关键的轨道参数对照表。

评分☆☆☆☆☆

这本书的叙事风格充满了对未知宇宙的浪漫遐想，作者的笔触如同在星空中轻轻描绘，勾勒出那些遥远、冰冷的岩石块在引力作用下那看似杂乱无章却又遵循着某种古老韵律的舞蹈。它不追求严苛的数学推导，反倒更像是一部充满哲思的太空游记。我尤其欣赏作者如何将那些复杂的轨道概念，比如霍曼转移或者引力弹弓效应，用极其生动的生活化比喻来阐释。读到关于“漫游者”如何一次次调整姿态，试图捕捉那转瞬即逝的光影时，我仿佛能感受到地面控制中心里工作人员紧张而又兴奋的心跳。这本书的价值在于，它成功地架起了一座桥梁，让那些对深空探索心怀好奇的普通读者，能够跨越专业壁垒，去领略那些探测器们孤独而壮丽的旅程。那种感觉，就像是拿到了一份星际旅行的邀请函，虽然无法亲身前往，但精神上已经随之飞越了数以亿计的公里。书中对于探测器设计的美学考量也颇为独到，将冰冷的工程学与宏大的宇宙背景巧妙地融合在一起，让人对人类的创造力肃然起敬。

评分☆☆☆☆☆

这本书给我的最大感受是其作为“历史文献”的价值。作者似乎是一位资深的航天档案整理者，他将不同年代、不同国家对小行星飞掠轨迹的观测数据进行了巧妙的编排和串联。阅读的乐趣在于追溯那些历史性的观测瞬间——比如第一次通过天文望远镜精确测定彗星轨道，以及早期苏联和美国探测器轨迹规划的差异。它不只是关于“如何做”，更是关于“过去是如何思考的”。书中穿插的那个时代研究人员的手写笔记复印件，极大地增强了真实感和沉浸感，让人仿佛能闻到老旧纸张上的油墨味。它展现了知识积累的艰辛历程，每一个成功的轨道计算，都是建立在前人无数次尝试和修正之上的。这本书更像是一部关于“人类如何学会阅读宇宙语言”的编年史，其厚重感和知识密度让人在合上书本时，对基础科学的敬畏感油然而生。

评分☆☆☆☆☆

这本书的叙事视角极其独特，它仿佛是一部以“时间”为主角的史诗。作者似乎刻意避开了对探测器硬件的炫耀，而是将焦点完全集中在轨道本身——那个看不见、摸不着却又绝对主宰一切的无形力量。我读到关于奥尔特云冰粒在太阳系边界被捕获的理论推演时，那种震撼是难以言喻的。它让我开始以一种全新的、更具历史纵深感的方式来看待太阳系的形成。书中对引力微扰的描述，不是冰冷的力学公式，而更像是宇宙尺度的“涟漪效应”，展示了如何利用最小的能量输入，实现对宏大目标的精确操控。这种对“势”的理解，超越了单纯的工程计算，触及到了物理学的哲学层面。书中的排版和插图选择也十分考究，那种大面积的留白和极简的星图，营造出一种空旷而又深邃的阅读体验，非常符合主题所需要的宁静与宏大。

评分☆☆☆☆☆

我必须承认，这本书的阅读体验是起伏跌宕的，它更像是作者的一场个人化、近乎偏执的学术探险笔记。它最吸引我的地方，在于作者对特定任务失败案例的解构。书中花了很大篇幅讨论了某次深空探测任务在最后阶段因软件算法缺陷导致的轨道失控，分析之深入，甚至包含了对源代码片段的批判性审视。这种近乎“手术刀式”的精准剖析，让读者真切地感受到了航天事业的残酷性——任何微小的疏忽都可能导致数十年努力的付诸东流。与那些歌颂成功的书籍不同，这本书的价值在于其对“不确定性”的直面。它没有提供安慰性的结局，而是展示了科学工作者在面对宇宙的随机性和自身局限性时所展现出的坚韧。对于那些想要从事任务风险管理的人来说，这本书提供了宝贵的“反面教材”和深刻的教训。

评分☆☆☆☆☆

坦白说，这本书的深度和广度远远超出了我最初的期待，它并非一本轻松的科普读物，而更像是一部深入研究近地小行星捕获任务的案例分析集。作者在处理轨道摄动和燃料预算优化方面的论述，简直是教科书级别的严谨。书中详尽地对比了不同推进剂方案在低推力条件下的长期效能，特别是对太阳帆技术在特定轨道保持上的局限性进行了非常细致的剖析。我花了大量时间去研究其中关于“近距离逼近”阶段的误差容忍度计算，那部分数据图表和数学模型展示了极高的专业水准。对于任何从事航天动力学研究的人来说，这本书无疑是一份极具参考价值的工具书。它没有回避那些“不那么性感”的细节，比如长期轨道漂移的补偿策略，反而将这些被许多通俗读物忽略的工程难点视为展示人类智慧的绝佳舞台。读完之后，我对行星际任务规划的复杂性有了颠覆性的认识，明白了每一个微小的速度修正背后，都凝聚着无数次迭代计算的心血。