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出版者:Wiley

作者:Jearl Walker

出品人:

页数:352

译者:

出版时间:2006-6-30

价格:310.00元

装帧:Paperback

isbn号码:9780471762737

丛书系列:

图书标签:

• 物理学
• 科学
• 教育
• 趣味物理
• 科普
• 物理演示
• 实验
• 教学
• 飞行
• 马戏团

航天动力学基础：从轨道设计到星际导航 本书导言 在人类探索宇宙的征程中，航天动力学无疑是奠定一切的基石。本书旨在为对航天工程、天体物理学以及轨道力学感兴趣的读者，提供一个全面、深入且严谨的理论框架。我们聚焦于描述和预测航天器在不同引力场中运动的规律，从最基础的两体问题出发，逐步扩展到复杂的多体系统、轨道机动策略，直至深空探测所需的导航与控制技术。本书的编写风格力求兼顾理论的严谨性与工程应用的直观性，确保读者不仅理解“如何计算”，更能洞悉“为何如此计算”。 第一部分：轨道力学的数学基石 第一章：中心力场与开普勒定律的再审视 本章将从牛顿万有引力定律出发，构建描述两体问题（如地球与卫星）的运动方程。我们将详细推导并分析圆锥曲线解的物理意义，即椭圆、抛物线和双曲线轨道。重点讨论轨道要素（如半长轴、偏心率、倾角等六个开普勒元素）的定义及其在轨道预测中的核心作用。不同于传统的描述，本章会引入拉格朗日点和哈密顿力学在描述保守系统中的优势，为后续更复杂的动力学分析打下坚实的数学基础。我们还将探讨在实际工程中，如何利用开普勒轨道来近似预估航天器的基本运动轨迹。 第二章：两体问题的高级分析与扰动效应 虽然开普勒轨道是理想情况，但实际操作中，航天器会受到各种微小力的影响。本章深入研究了轨道摄动理论。我们将详尽分析地球非球形（扁率效应，主要是$J_2$项）对轨道的影响，包括升交点和近地点漂移的精确计算公式。此外，我们还会讨论太阳辐射压力、大气阻力（在近地轨道）以及月球和太阳的引力摄动。通过拉格朗日行星方程（或称变分方程），我们学习如何量化这些摄动对轨道要素随时间变化的速率。理解这些摄动至关重要，它们决定了卫星姿态维持和轨道保持（Station-Keeping）所需的燃料预算。 第二部分：航天器轨道设计与机动 第三章：轨道转移的经典方法 轨道转移是航天任务中的核心操作。本章集中阐述了霍曼转移、双椭圆转移等基础方法。霍曼转移因其最低的能量消耗而成为最常用的近地转移技术，我们将对其最优化的条件和执行过程进行细致的分解。对于更高要求的转移，如非共面轨道转移，我们将引入速度增量（$Delta V$）的概念，并利用齐次坐标系来简化复杂的轨道平面变更计算。本章还包括了轨道交会（Rendezvous）和对接（Docking）问题的初步探讨，聚焦于如何在目标参考系中精确计算拦截窗口。 第四章：轨道摄动下的长期轨道维持 对于需要长期运行的卫星（如地球同步卫星或导航星座），轨道维持（Station-Keeping）是生命周期管理的关键。本章将根据第二章推导的摄动效应，设计出精确的轨道保持策略。我们将讨论如何通过定期的轨道修正机动来抵消地球扁率引起的轨道衰减或漂移。对于地球同步轨道，如何维持其在赤道面上的精度（东西向保持）和对地面的高度（南北向保持）是核心内容。本章会引入燃料效率分析模型，以评估不同机动策略的长期经济性。 第三部分：深空任务与导航原理 第五章：多体动力学与引力弹弓效应 当航天器远离地球引力范围，太阳和行星的引力便成为主导因素，这涉及到复杂的三体或多体问题。本章首先概述了限制性三体问题（Restricted Three-Body Problem, RTBP）的平衡点（拉格朗日点）的稳定性分析，这些点是深空任务和空间站部署的天然枢纽。接着，本书将重点剖析“引力弹弓”（Gravity Assist）或称行星际机动。我们将详细推导出引力弹弓效应中动量和能量的传递机制，并展示如何利用行星的引力场来改变航天器的速度和方向，这是实现低成本星际飞行的关键技术。 第六章：轨道确定与导航技术 航天任务的成功执行依赖于对航天器实时位置和速度的精确估计，即轨道确定（Orbit Determination）。本章介绍经典测量技术，如地基测距（Range）和测速（Doppler）数据。我们将详细讲解最小二乘法在轨道参数估计中的应用，以及卡尔曼滤波（Kalman Filtering）在处理具有不确定性的实时导航数据中的优越性。对于深空探测任务，由于缺乏地面观测，本章将阐述基于星敏感器和太阳敏感器的自主导航技术（Attitude and Orbit Control System, AOCS），以及如何利用行星际转移弧段的动力学模型进行预测性导航。 第七章：进入、下降与着陆（EDL）动力学 对于行星际探测器，着陆阶段的动力学挑战最为严峻。本章专注于大气层再入过程中的气动加热与减速。我们将分析航天器在稀薄大气中经历的非保守力影响，包括气动力矩和摩擦阻力。对于目标星球具有大气层的情况，我们将讨论如何设计合适的进入轨迹（如“飞入”或“跳跃”轨迹）以优化减速效率并控制过载。着陆阶段的精确推力控制（如反推火箭的使用）及其对最终落点精度的影响也将被纳入动力学模型进行讨论。 结论 本书的结构旨在引导读者从基础的开普勒运动学，逐步迈入复杂多体系统的摄动分析和实用的导航控制领域。航天动力学是一个不断发展的领域，本书所涵盖的理论和方法论，构成了所有未来空间探索任务——无论是载人登月、火星漫游，还是小行星采样——的理论基石。掌握这些知识，是理解和设计未来航天系统的必由之路。

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读完这本书，我感觉自己的世界观被重新校准了一遍。它不仅仅是关于“物理”的，更像是关于“如何观察世界”的一本指南。作者的笔触细腻且富有洞察力，对于一些看似司空见惯的现象，他总能挖掘出其背后令人惊叹的物理机制。拿其中的一个例子来说，书中深入探讨了为什么天空是蓝色的，但日出日落时却是橘红色的，那段描述简直如同诗歌一般优美，将瑞利散射的复杂理论，用色彩的变幻娓娓道来，让人在享受视觉美感的同时，也明白了光与大气的相互作用。这本书的排版和插图也处理得非常出色，那些手绘的草图和示意图，精准地捕捉了物理情境的核心，起到了画龙点睛的作用。它不是那种读完就束之高阁的书，而是会让你时不时地翻开某一页，重新回味那种“原来如此”的顿悟感。对于我这种业余爱好者来说，它提供了一种既有深度又极具可读性的学习体验，它鼓励你质疑、探索，而不是盲目接受既定结论。

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这本书的阅读体验是极其流畅且富有感染力的。它不像那些堆砌着实验数据和精密测量的学术著作，反而更像是一本充满奇思妙想的游记。作者似乎带着读者进行了一场环绕物理定律的探险，从微观的粒子世界，到宏观的宇宙现象，无所不包。我尤其欣赏它在讨论量子力学部分时所展现出的谨慎和魅力，作者承认了其反直觉性，并巧妙地利用概率波的描述，让读者感受到那种“既确定又模糊”的量子世界的独特氛围。这种处理方式避免了给初学者带来不必要的困惑，同时又保留了量子理论的精髓。整本书读下来，感觉像是完成了一次智力上的马拉松，但却一点都不觉得累，反而充满了继续探索的渴望。这本书的贡献不仅仅是知识的传递，更在于它激发了一种积极的科学探究精神，它让你相信，物理学其实就在我们身边，只是我们缺乏一双发现它的眼睛。

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这本《The Flying Circus of Physics》真是让人大开眼界！我一直以为物理学是枯燥乏味的公式和抽象的概念，但这本书彻底颠覆了我的认知。作者以一种近乎魔术表演的生动方式，将那些晦涩难懂的物理定律，转化成了一个个充满趣味和想象力的“物理马戏团”。比如，书中对光线的折射和反射的描述，简直就像是设计了一场精心编排的激光秀，让人不由自主地想去探究背后的原理。它没有强迫你记住复杂的数学推导，而是通过日常生活中的奇特现象来引导你思考。我记得有一章专门讲了声音的传播，作者用非常形象的比喻，比如把空气分子想象成一串串紧密相连的弹簧，解释了声波是如何穿梭的，读完后，我对耳边听到的每一个声音都有了全新的理解。这种把硬核知识“软包装”的技巧，非常适合那些对科学有好奇心，但又畏惧传统教科书的人。它成功地搭建了一座知识的桥梁，让我们能够轻松跨越到物理学的奇妙世界。我尤其欣赏作者那种不拘一格的叙事风格，时不时穿插一些历史小典故或者物理学家的趣闻轶事，让阅读过程充满了惊喜。

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我向来对那些试图用过于简化的方式解释复杂科学的书籍持保留态度，但《The Flying Circus of Physics》成功地在严谨性和趣味性之间找到了一个绝妙的平衡点。它的深度是毋庸置疑的，作者显然对物理学有着扎实的功底，但更难得的是，他似乎有一种“翻译”的天赋，能将高深的理论精准地转译成大众能够理解的语言。书中对相对论效应的探讨就非常到位，它没有陷于复杂的四维时空几何，而是通过描述两个不同参照系下观察到的时间流逝差异，让人对“时间是相对的”这一概念有了更具象的感知。我感觉自己像是坐在一个充满智慧的讲师面前，他用各种小道具和生动的例子，把复杂的概念掰开了揉碎了讲给我听，但又始终保持着对科学的尊重。这本书的价值在于，它不仅告诉你“是什么”，更重要的是告诉你“为什么会是这样”，并且用一种令人愉悦的方式把这个“为什么”呈现出来，这才是真正的科普艺术。

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这本书的结构安排非常巧妙，它没有严格遵循传统教材的章节顺序，而是像一个真正的马戏团一样，不同的小节目轮番上演，每个节目都聚焦于一个独立的物理主题，但整体又有一个内在的逻辑在串联。我特别喜欢它对流体力学部分的阐述，尤其是关于湍流和层流的对比，作者用生动的语言描述了水流在不同速度下的“性情”变化，让我对日常生活中遇到的气流和水流有了更直观的认识。更让我赞叹的是，作者在解释这些概念时，似乎总能找到一个最恰当的类比，既能抓住核心物理量，又不失趣味性。例如，在介绍能量守恒时，他没有堆砌公式，而是将能量比作一种永不消逝的货币，只是在不断地进行转换和流通。这种叙事策略极大地降低了阅读的门槛，让原本令人生畏的物理概念变得触手可及。总而言之，这是一本能让人在轻松愉快的氛围中，悄然提升科学素养的佳作，非常值得推荐给所有对自然世界充满好奇心的人。

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