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出版者:西南交通大學齣版社

作者:王有隆

出品人:

頁數:122

译者:

出版時間:2001-7

價格:18.80元

裝幀:

isbn號碼:9787810575669

叢書系列:

圖書標籤:

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現代航天動力學：從軌道設計到深空探測的理論與實踐 作者：張偉、李明 編著 齣版社：宇航科技齣版社 齣版日期：2023年10月 --- 內容簡介 本書全麵深入地探討瞭現代航天動力學領域的核心理論、關鍵技術和前沿應用。它不僅是航天工程師、空間任務規劃師的專業參考手冊，也是高等院校航空航天類專業本科生和研究生的重要教材。全書結構嚴謹，內容覆蓋麵廣，力求在理論推導的精確性與工程應用的實用性之間取得完美平衡。 第一部分：軌道力學基礎與經典理論重構 本書首先從牛頓萬有引力定律和開普勒定律齣發，係統梳理瞭航天動力學的理論基石。不同於傳統的教科書敘述方式，本部分著重於非理想化模型下的軌道動力學分析。 第一章：二體問題的高級解法與數值積分 本章詳細介紹瞭開普勒方程的解析解法（如牛頓迭代法、巴尼斯特法）及其在實時軌道確定中的局限性。重點闡述瞭高精度數值積分方法在處理復雜攝動（如太陽輻射壓、地球非球形引力）時的應用。討論瞭龍格-庫塔法（RK4、RKF45）和辛積分方法在保持長期軌道預測穩定性和能量守恒方麵的優劣對比。特彆引入瞭基於四元數（Quaternions）的軌道姿態動力學初步分析，為後續的姿態控製打下基礎。 第二章：多體攝動理論與攝動軌道分析 本書超越瞭簡單的攝動展開，引入瞭拉格朗日中程方程（Lagrange's Planetary Equations）和龐加萊-林德布拉德（Poincaré-Lindstedt）方法來分析周期性攝動。詳細分析瞭J2、J3等高階地球引力項對近地軌道（LEO）和地球同步軌道（GEO）的長期影響，包括軌道的漂移速率和近日點進動。同時，對太陽光壓的攝動力模型進行瞭詳細建模，特彆是針對低質量比航天器（如微小衛星星座）的長期軌道維持策略進行瞭深入探討。 第三章：軌道變換與轉移機動優化 本章集中於航天器軌道機動的效率和燃料優化問題。係統講解瞭霍曼轉移、雙橢圓轉移的理論邊界。引入瞭最優控製理論在軌道轉移中的應用，包括龐特裏亞金最小原理在計算無推力段和有限推力段的邊界條件。詳細介紹瞭使用高斯譜法（Gauss Pseudospectral Method, GPM）求解復雜軌道機動（如行星際彈道修正）的數值過程，並提供瞭一係列實際案例的算例分析。 第二部分：航天器姿態動力學與控製 本部分轉嚮研究航天器自身的運動學和動力學，這是精確深空探測和精密對地觀測的關鍵。 第四章：剛體動力學與歐拉方程 本章深入探討瞭航天器姿態的建模，從拉格朗日量齣發推導瞭帶外部力矩（如磁力矩、氣動扭矩）的歐拉方程。詳細分析瞭非對稱慣量矩陣對姿態機動的影響。重點討論瞭歐拉角、羅德裏格斯參數和四元數在描述和解算姿態時的相互轉換、奇異性問題及在導航濾波中的應用。 第五章：執行器建模與姿態控製係統設計 本書詳細分析瞭反應輪（Reaction Wheels）、磁力矩器（Magnetorquers）和推進器（Thrusters）的動力學模型和飽和限製。在控製算法方麵，超越瞭傳統的PID控製，重點介紹瞭滑模控製（SMC）在應對外部擾動和模型不確定性時的魯棒性，以及基於Lyapunov函數的間接自適應控製方法在變質量係統（如燃料消耗）中的應用。 第六章：慣性導航與姿態確定 本章闡述瞭高精度姿態確定的方法。詳細介紹瞭擴展卡爾曼濾波（EKF）和無跡卡爾曼濾波（UKF）在融閤星敏感器、陀螺儀和加速度計數據時的具體實現。特彆關注瞭基於特徵跟蹤的視覺導航係統（VNS）在深空著陸和近距離交會對接任務中的數據預處理和姿態解算流程。 第三部分：高級軌道設計與空間任務應用 本部分將理論應用於前沿空間任務場景，展現瞭現代航天動力學的工程潛力。 第七章：限製性多體問題與軌道設計 本書詳細介紹瞭拉格朗日平衡點（Lagrange Points, LPs）的穩定性分析，包括對L1到L5點的周期性軌道（如Halo, Lissajous軌道）的穩定性判據和微小攝動下的維持策略。引入瞭動力學通道（Dynamical Pathways）的概念，用於設計低能耗的行星際轉移路徑，如“弱穩定邊界”（WSB）理論在小行星采樣返迴任務中的應用。 第八章：航天器編隊與相對導航 針對衛星互聯網和空間態勢感知需求，本章重點討論瞭航天器編隊的相對動力學。采用相對狀態方程描述編隊成員間的相互作用，詳細分析瞭浮動軌道（Floating Orbits）和周期性相對軌道的設計。介紹瞭利用相對測量（如激光雷達和GPS差分）進行高精度相對狀態估計的技術，以及在近距離自主交會對接（Rendezvous and Proximity Operations, RPO）任務中避碰和軌道控製的算法。 第九章：深空探測的軌道攝動與導航挑戰 本章探討瞭遠離地球引力場時的導航難題。討論瞭行星和太陽的非周期性引力攝動對遠距離航天器（如旅行者號、新視野號）軌道的修正。詳細介紹瞭行星際導航（Interplanetary Navigation）中的關鍵環節：深空網絡（DSN）的測距和多普勒數據處理、軌道修正（TCMs）的規劃，以及如何利用引力助推（Gravity Assist）進行行星際軌跡優化。 --- 本書特色 1. 工程導嚮的深度理論： 理論推導嚴謹，但始終聚焦於工程實現中的瓶頸和解決方案，包含大量實際任務數據校準的案例分析。 2. 前沿算法集成： 涵蓋瞭從經典牛頓法到現代最優控製、譜方法等多種高級數值技術，為讀者提供解決復雜動力學問題的工具箱。 3. 多尺度分析視角： 兼顧瞭近地軌道的高精度攝動分析，以及行星際任務中的長期動力學行為，視角全麵。 本書旨在培養讀者構建復雜航天係統的動力學模型，並掌握對其進行精確預測和高效控製的能力。 --- 關鍵詞： 航天動力學、軌道力學、姿態控製、最優控製、行星際導航、卡爾曼濾波、相對動力學、拉格朗日點。

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閱讀體驗是評價一本非虛構類書籍時常常被忽視的維度，但對於這種涉及大量空間感知和動態平衡的題材來說，體驗至關重要。這本書的敘事節奏掌握得如同一次完美的進場著陸，平穩而精準。它巧妙地平衡瞭理論的嚴謹性與敘述的流暢性，沒有讓讀者在艱澀的物理定律和工程術語中迷失方嚮。作者似乎深諳如何將復雜的概念“翻譯”成易於理解的語言，例如，他對陀螺儀的原理闡述，就用瞭一個非常貼近生活的比喻——一個高速鏇轉的飛輪在空間中保持其指嚮性的場景，瞬間就將抽象的角動量守恒定律具象化瞭。更令人驚喜的是，書中配有的插圖，並非那種僵硬的工程剖視圖，而是大量由專業繪圖師重新繪製的動態示意圖，它們精準地描繪瞭部件間的相對運動和力場的分布，配閤文本閱讀，使得原本需要反復揣摩的機械原理，變得一目瞭然。這種“視覺化教學”的功力，極大地降低瞭入門門檻，讓即便是對機械原理不甚熟悉的讀者，也能快速建立起對航空係統運作的整體認知框架。

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這本書的裝幀設計著實吸引人眼球，封麵那深邃的藏藍底色，仿佛能讓人一頭栽進那無垠的蒼穹之中，中央的銀色綫條勾勒齣的抽象飛行器剪影，簡潔卻不失力量感，一看就知道這是一本關於“飛翔”主題的力作。我原本以為它會像市麵上那些泛泛而談的航空史冊那樣，堆砌著大量枯燥的曆史年代和機型數據，但翻開內頁後，那種細膩的排版和圖文並茂的處理方式立刻讓我放下瞭戒心。字體選擇上，既保證瞭閱讀的舒適度，又在關鍵的專業術語處做瞭加粗或斜體的區分，能讓非專業讀者也能輕鬆捕捉重點。尤其值得稱贊的是，書中對一些經典航空器設計的剖析，不是簡單的技術參數羅列，而是融入瞭設計師的哲學思考和工程美學的探討，讀起來完全沒有那種技術手冊的冰冷感，更像是在聽一位經驗豐富的老工程師，用充滿激情的語氣，娓娓道來那些隱藏在金屬骨架下的故事。那種對細節的極緻追求，從紙張的質感到油墨的清晰度，無不體現齣齣版方對航空愛好者的尊重。這本書放在書架上，本身就是一件賞心悅目的藝術品，每一次不經意間的瞥見，都會激發內心深處對藍天白雲的嚮往。

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我發現這本書在探討“人機交互界麵設計”方麵，展現齣一種超越時代的前瞻性。在現代飛行座艙越來越依賴多功能顯示器（MFD）的背景下，如何避免信息過載和操作冗餘，是所有航空電子工程師麵臨的巨大挑戰。這本書並未拘泥於當前主流的玻璃座艙布局，而是花瞭不少篇幅去探討“情境感知型界麵”的構建邏輯。作者提齣瞭一個極富啓發性的模型，即將顯示信息的重要性與飛行員當前任務負荷進行實時關聯，隻在最關鍵的決策點彈齣最重要的信息，其餘的次要數據則以低乾擾性的方式存在於視野邊緣。這種“減法”的設計哲學在很多技術書籍中是罕見的，大傢總傾嚮於展示你能做什麼，而這本書卻在強調你“應該在特定時刻隻看什麼”。這種以人為本的思考路徑，讓這本書的內容立刻從一本技術手冊，升級為一本關於“高效決策支持係統”的哲學論著。它迫使讀者重新思考，在信息爆炸的時代，如何通過設計來保護飛行員的注意力資源。

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更深層次來看，這本書提供瞭一種獨特的曆史觀和未來觀的融閤視角。它沒有將航空儀錶的演進視為技術的綫性升級，而是將其置於全球政治、經濟和軍事競爭的大背景下去審視。例如，作者詳細分析瞭冷戰時期對慣性導航係統精度需求的激增，如何直接推動瞭MEMS技術在民用航空領域的應用和成熟，這種對技術驅動力的社會學解讀，拓寬瞭我的視野。同時，書中對下一代“態勢融閤與增強現實輔助導航”的前瞻性展望，也顯得十分審慎和紮實，並未陷入過度科幻的泥潭。它討論瞭量子傳感技術在抗電磁乾擾方麵的潛力，並極其務實地指齣瞭其實際部署所麵臨的功耗和穩定性瓶頸。這種“立足當下，仰望星空，腳踏實地”的論述風格，使得全書的論證既有堅實的理論基礎，又不失對未來趨勢的敏銳洞察。讀完後，你會感覺自己不僅瞭解瞭儀錶如何工作，更理解瞭它們“為何”以現在這樣子的方式演變，以及未來“將要”去往何方。

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我帶著一種近乎苛求的態度來審視這本書的內容結構，畢竟我對“高空作業與氣象影響”這個領域的研究已經有數年積纍。坦白說，初看目錄時，我對它在“復雜氣象條件下的導航修正算法”這一章節的深度抱有一絲懷疑，這類內容常常被簡化為幾行公式，難以提供實際的工程指導。然而，這本書的處理方式徹底顛覆瞭我的預期。它沒有止步於理論推導，而是采用瞭大量的實際案例分析，通過模擬穿越強對流天氣和極端能見度環境的飛行數據，清晰地展示瞭不同傳感器組閤在應對突發環境變化時的性能衰減麯綫和補償策略。特彆是關於“冰雪條件下的雷達波形自適應調整”那部分，作者引用瞭數個被廣泛流傳但鮮少被詳細解析的國際飛行事故報告，並從底層信號處理的角度進行瞭逆嚮工程式的解讀，讓人茅塞頓開。這種深度挖掘和跨學科的融閤，使得這本書超越瞭一般的科普讀物，達到瞭準專業參考書的水平。它不僅僅是告訴我們“怎麼做”，更深入地解釋瞭“為什麼必須這麼做”，這種對底層邏輯的尊重，纔是真正有價值的知識沉澱。

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