Spaceflight Mechanics 2004 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Univelt

作者:Coffey, Shannon L. (EDT)/ Treder, Alfred J. (EDT)/ American Astronautical Society (COR)/ American In

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:

价格:560

装帧:HRD

isbn号码:9780877035152

丛书系列:

图书标签:

• Spaceflight Mechanics
• Orbital Mechanics
• Astrodynamics
• Aerospace Engineering
• Spacecraft Design
• Trajectory Optimization
• Celestial Mechanics
• Space Mission Analysis
• Guidance and Control
• Space Exploration

《轨道动力学与航天器设计基础》 内容简介 本书是一部全面而深入探讨现代航天工程核心学科——轨道动力学与航天器设计的综合性教材与参考手册。它旨在为航空航天工程、应用数学、物理学以及相关领域的高年级本科生、研究生以及专业工程师提供一个坚实而前沿的理论框架与实践指导。全书内容结构严谨，逻辑清晰，从基础的牛顿力学原理出发，逐步构建起描述航天器在引力场中运动的复杂数学模型，并深入探讨了实现精确轨道控制与高效任务规划所需的设计方法论。 第一部分：经典轨道力学基础 本书的开篇聚焦于建立描述两体和多体系统运动的基石——经典轨道力学。 第1章：引力场与坐标系：本章首先回顾了万有引力定律在航天尺度上的应用，详细阐述了地球、月球等主要天体的质量分布模型，特别是引入了地球引力场的球谐函数展开，解释了大地水准面（Geoid）和参考椭球体（Reference Ellipsoid）的定义与测量方法。随后，章节系统梳理了描述航天器位置和速度所需的各种坐标系，包括地心惯性坐标系（ECI）、地心固定坐标系（ECEF）、轨道平面坐标系（如PQW系）以及惯性导航中常用的欧拉角和四元数表示法，并提供了不同坐标系之间精确、无歧义转换的数学工具。 第2章：二体问题与开普勒轨道：本章的核心是解决理想化的二体问题，即仅考虑两个质点间的万有引力作用。通过积分运动方程，推导出圆锥曲线解——开普勒轨道。详细分析了开普勒轨道六大轨道根数（如半长轴、偏心率、倾角、升交点赤经等）的物理意义及其随时间的变化规律（如摄动效应的初步讨论）。本章还深入探讨了轨道能量与角动量守恒的几何解释，为后续的变轨设计奠定能量分析基础。 第3章：轨道传播与数值积分：在实际任务中，精确的轨道预测（轨道传播）至关重要。本章超越了仅使用常数引力场的限制，详细介绍了高精度的轨道传播方法。内容涵盖了高阶开普勒模型、数值积分技术（如龙格-库塔法、辛积分器），并重点讲解了如何处理摄动项，包括太阳、月球的引力摄动、大气阻力、光压效应等。本章提供了如何构建稳定、高效的轨道状态预测器的具体算法与实现细节。 第二部分：轨道机动与控制 在理解航天器如何自然运动的基础上，本书转向如何通过推进系统精确控制航天器的运动轨迹。 第4章：轨道机动基础与霍曼转移：本章系统阐述了基本的轨道改变技术。详细分析了冲量作用下的瞬时速度变化（$Delta V$ 预算）的概念。重点解析了最经济的转移策略——霍曼转移轨道，包括近地转移和地月转移的应用。此外，还讨论了使用非霍曼转移以优化转移时间或降低峰值推力要求的情况。 第5章：复杂轨道转移与多脉冲机动：本章拓展至更复杂的轨道操作，例如轨道倾角的改变（“剪刀”机动）、轨道平面变换、停泊轨道操作以及近距离交会与对接（Rendezvous and Proximity Operations）。对于交会问题，引入了相对运动动力学，如丘陵方程（Clohessy-Wiltshire Equations），并探讨了如何设计精确的导引与控制律以确保安全对接。 第6章：推进系统与推力建模：轨道机动的有效性直接依赖于推进系统的性能。本章对化学火箭（固体、液体）和电推进系统（如霍尔推进器、离子推进器）的性能参数（比冲$I_{sp}$、推力$T$）进行了详细对比分析。重点在于如何将推进器的实际性能曲线转化为轨道动力学模型中的推力向量，讨论了不同推力作用模式（大推力脉冲与小推力连续推力）对轨道传播的影响及其优化方法。 第三部分：任务设计与航天器轨道选择 本部分将理论动力学与实际任务需求相结合，探讨了特定应用所需的轨道设计。 第7章：地球静止轨道（GEO）与地球同步轨道（GSO）的设计：详细分析了GEO和GSO的特性，包括其高度、周期与地球自转的同步关系。讲解了如何通过精确的轨道维持（Orbit Maintenance）策略，补偿太阳光压和月球引力引起的漂移，确保卫星位于指定的“箱区”（Box）内。 第8章：周期性轨道与不稳定流形：本章深入探讨了非牛顿中心力场下具有周期性的特殊轨道，如拉格朗日点（Lagrange Points）附近的周期性轨道（Halo, Lissajous Orbits）。这部分内容对于深空探测器、空间太阳能发电站的构型以及小行星任务的设计至关重要。引入了庞加莱截面分析工具，用于识别和稳定这些不稳定的平衡点周围的轨道结构。 第9章：摄动轨道动力学与长期稳定性：在长期任务中，微小摄动效应的累积可能导致任务失败。本章引入平均化方法（如拉格朗日行星方程）来分析长期摄动。重点分析了大气阻力对近地轨道卫星寿命的影响，以及太阳辐射压在GEO区域的显著性。为确保任务的长期可靠性，本章提供了评估轨道长期稳定性的分析工具和案例研究。 第十掌：非理想环境下的航天器姿态与轨道耦合（AOCS基础）：虽然本书主要关注轨道，但姿态对轨道控制至关重要。本章简要介绍了航天器姿态动力学（如欧拉方程）与轨道运动的耦合。探讨了磁力矩、太阳光压矩等外部力矩如何影响卫星姿态，并简要介绍了如何利用三轴稳定系统和反应轮来维持对推进器和传感器指向的精确控制，从而保证轨道机动的有效实施。 总结 《轨道动力学与航天器设计基础》不仅提供了坚实的理论推导，更注重将这些理论应用于解决现实世界中的航天工程问题。书中包含大量的工程案例、详细的图表和习题，旨在培养读者独立分析和设计复杂航天任务的能力。它面向的是致力于推动航天技术向前发展的下一代工程师和科学家。

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