An Introduction To Celestial Mechanics pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Johnston Press

作者:Forest Ray Moulton

出品人:

页数:464

译者:

出版时间:2008-07-08

价格:USD 32.45

装帧:Paperback

isbn号码:9781408674185

丛书系列:

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• 航天专业
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天体动力学导论 一部深入探索宇宙运动基本原理的经典之作 概述：揭示宇宙的宏伟蓝图 《天体动力学导论》是一部旨在为读者提供坚实理论基础和丰富实践经验的专著，内容涵盖了从牛顿经典力学到现代天体力学领域的核心概念。本书的核心目标是引导读者理解和掌握行星、卫星、彗星以及人造天体在引力场中运动的基本规律，并能够运用这些知识解决实际的天体力学问题。 本书的编写遵循了循序渐进的原则，从最基础的运动学和动力学概念入手，逐步过渡到复杂的轨道计算、摄动理论以及空间任务规划等高级主题。我们避免了过度简化，力求在保持数学严谨性的同时，确保物理图像的清晰性与直观性。通过对历史上的经典案例和当代前沿研究的梳理，本书不仅是理论教材，更是一部引导读者进入专业领域研究的入门指南。 第一部分：基础框架与核心原理 本部分奠定了整个天体力学分析的数学和物理基础，确保读者对后续章节的深入探讨有所准备。 第一章：运动学与参考系的选择 本章首先回顾了经典力学中的基本概念，如质量、力、能量和动量。随后，重点讨论了在天体力学分析中至关重要的参考系的选择。 惯性系与非惯性系： 详细分析了牛顿第二定律在不同坐标系下的适用性，引入了牛顿（惯性）系和地心惯性系（ECI）的概念。 地球固连系（ECEF）的局限性： 探讨了地球自转带来的科里奥利力和离心力，并阐述了在处理近地卫星轨道时，如何将这些效应纳入考虑。 坐标变换： 详尽介绍了旋转矩阵、欧拉角和四元数在不同坐标系（如赤道坐标系、黄道坐标系）之间进行精确转换的方法，这是轨道传播和姿态控制的基础。 第二章：二体问题（Two-Body Problem）的精确解 二体问题——两个质量体在万有引力作用下的相对运动——是天体力学的基石。本章提供了这一问题的完整解析。 拉格朗日点与中心体引力： 基于牛顿万有引力定律，推导了二体系统的中心运动方程，并证明了其守恒量，如角动量和总能量。 开普勒定律的严谨推导： 从微分方程出发，严格推导出开普勒三大定律，并阐明了这些定律在太阳系动力学中的普适性。 轨道要素的定义与解释： 详细定义了六个开普勒轨道要素（半长轴、偏心率、轨道倾角、升交点赤经、近地点幅角、真近点角），这些要素构成了描述任何一个椭圆或双曲线轨道的“指纹”。 轨道分类： 讨论了封闭轨道（椭圆）、抛物轨道和双曲线轨道在能量和角动量平面上的几何表示。 第三章：轨道传播与数值方法 在实际应用中，精确的轨道传播往往需要数值方法。本章侧重于如何使用计算机高效且准确地预测物体未来的位置和速度。 高斯/拉格朗日方法： 介绍了基于解析解的初始条件确定方法。 数值积分技术： 探讨了常微分方程求解器在轨道动力学中的应用。详细介绍了龙格-库塔法（Runge-Kutta methods）以及更高效的辛积分器（Symplectic Integrators）在长期轨道模拟中的优势，特别是它们如何更好地保持哈密顿系统的结构。 常数变异法（Variation of Parameters）： 引入拉格朗日和庞加莱形式的常数变异方程，为后续的摄动分析打下基础。 第二部分：多体系统的复杂性与摄动理论 现实中的天体运动很少是孤立的二体系统。本部分深入探讨了引力场中其他天体、非球形引力、大气阻力和辐射压等对轨道的影响。 第四章：N体问题与限制性三体问题 N体系统的定性分析： 讨论了N体问题的不可积性，并介绍了庞加莱的不稳定性和混沌现象的初步概念。 限制性三体问题（Restricted Three-Body Problem, RTBP）： 这是处理地球-月球或太阳-行星系统动力学的关键模型。详细分析了欧拉点（Lagrange Points）的平衡解，包括它们的稳定性分析。 同步轨道与拉格朗日点应用： 探讨了L1到L5点的物理意义及其在空间探测器部署中的战略价值。 第五章：摄动效应的量化分析 本章将摄动项视为对理想二体运动的微小修正，并系统地分析了这些修正对轨道要素的长期影响。 地球的非球形引力场： 详细分析了地球扁率（$J_2$项）对近地卫星轨道的影响。推导了$J_2$项导致的轨道进动（Precession）速率，这是设计和维持太阳同步轨道和近地点保持轨道的关键。 日月引力摄动： 讨论了太阳和月球对地球轨道卫星的影响，特别是在高轨道和地球轨道边缘时的重要性。 非引力摄动： 引入大气阻力模型（如布格-拉姆齐模型）和太阳辐射压力（SRP）模型，分析它们在轨道衰减和长期维持中的作用。 第六章：解析摄动理论进阶 本章介绍了更深入、更精细的摄动分析方法，这些方法在行星际任务的精确导航中不可或缺。 汉密尔顿-雅可比理论基础： 以哈密顿力学为框架，概述了正则变换和生成函数在简化多体运动方程中的作用。 庞加莱-林德斯泰德（Poincaré-Lindstedt）方法： 用于处理周期性摄动，寻找平均轨道要素的长期演化。 星历表的构建： 结合摄动理论，解释了现代高精度星历表（如JPL Development Ephemerides）是如何通过高阶解析或半解析方法计算行星和航天器的位置。 第三部分：轨道机动与空间任务设计 本书的最后一部分将理论知识应用于实际操作，探讨航天器如何在轨道间转移、进行机动，以及如何设计任务的轨道。 第七章：轨道转移与速度增量（Delta-V）分析 霍曼转移（Hohmann Transfer）： 详细分析了最节能的椭圆转移轨道，计算所需的速度增量和转移时间。 平面内与平面外机动： 讨论了不同倾角改变所需的能量消耗，以及如何利用重力助推（Gravity Assist）进行行星际转移。 低推力机动： 引入阿列克谢耶夫-布尔科夫最优控制理论（Primer Vector Theory）的基本思想，探讨了在长时间任务中如何通过连续、低强度的推力实现最优轨道控制。 第八章：相对运动与航天器编队 随着对近距离操作需求的增加，相对运动学成为关键。 两体相对运动方程： 导出物体相对于目标航天器的运动方程。 近体动力学（Clohessy-Wiltshire/Hill's Equations）： 详细推导和分析了希尔方程，这是描述近地轨道（如ISS附近）相对运动的标准线性模型。利用该模型分析了航天器捕获、交会和编队飞行的基本策略。 第九章：轨道确定与观测数据处理 任何轨道任务都依赖于对初始状态的精确测量。 轨道测定基础： 介绍主要的观测类型，如方位角/高度角（Azimuth/Elevation）、视线距离（Range）和多普勒频移。 卡尔曼滤波（Kalman Filtering）： 详细讲解卡尔曼滤波在融合多源、有噪声的观测数据以实时估计和修正航天器状态向量方面的核心作用，这是现代导航和控制系统的核心算法。 最小二乘法与轨道拟合： 阐述如何使用观测数据对轨道要素进行最佳估计。 总结与展望 《天体动力学导论》旨在提供一个既具有深厚理论底蕴，又紧密联系实际工程应用的知识体系。通过对引力、运动、摄动和控制的系统性研究，读者将能够掌握理解和预测宇宙中任何受引力支配的物体运动的工具。本书不仅为有志于从事航天科学、轨道工程或天文学研究的专业人士打下坚实基础，也为所有对宇宙运行奥秘抱有好奇心的学习者开启了一扇通往精确科学的大门。未来的研究方向将集中在更精细的引力场模型、复杂多体系统的长期稳定性分析，以及AI和机器学习在轨道预测与控制优化中的集成应用。

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这本书的独特之处在于它对观测数据的尊重和整合。它不仅仅是理论的演绎，更是一部关于人类如何从有限的观测中推导出无限规律的史诗。作者在阐述如何通过三角视差测量恒星距离时，详细描述了望远镜的精度限制和大气扰动带来的挑战，这种对“不完美观测”的坦诚，反而增强了科学的真实感。特别是书中提到利用傅里叶分析处理长期天文观测数据，以分离出周期性信号的章节，讲解得深入浅出，让我领悟到数学工具在实际天文研究中的强大威力。它并未回避这些技术细节，但却用一种近乎讲故事的方式将其包裹起来，使得读者在学习计算方法的同时，也体会到了科学家们与数据“搏斗”的艰辛。我尤其欣赏作者在讨论近日点进动这类相对高阶话题时，插入的关于拉普拉斯和泊松等人的学术争论片段。这些历史性的“交锋”，让原本冰冷的物理定律充满了人情味和思想的活力，展示了科学进步并非一帆风顺，而是充满了修正与辩论。

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这本书的封面设计得非常引人注目，深邃的蓝色背景上点缀着闪烁的星辰，仿佛真的能透过它一窥宇宙的浩瀚。我是在一个雨天的下午偶然在书店里翻到它的，一开始只是被它的名字吸引，但当我翻开第一页，阅读了前几章的介绍后，我立刻意识到这是一本不同寻常的科普读物。作者显然对如何将复杂的理论以生动有趣的方式呈现给非专业读者有着深刻的理解。书中对于开普勒定律的阐述，不再是枯燥的公式堆砌，而是穿插了大量关于历史背景和科学家们探索过程的逸闻趣事，让我仿佛能感受到那些伟大的头脑在面对未知时所经历的挣扎与顿悟。特别是关于行星运动轨道的几何描述部分，作者巧妙地运用了大量的图示和类比，即便是像我这样对纯数学感到畏惧的读者，也能大致掌握其核心思想。这种叙事上的匠心独运，使得原本高冷的“天体力学”瞬间变得触手可及，它不再是象牙塔里的学问，而成了我们头顶那片星空背后隐藏的优雅法则。我特别欣赏作者在引导我们思考“为什么”而不是仅仅停留在“是什么”的层面，这让阅读过程充满了智力上的探索乐趣。

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这本书的叙事节奏把握得极佳，像一部精心编排的交响乐，从相对简单的二体问题开始，逐步引入更复杂的摄动力学概念。我最喜欢它处理引力理论演变的方式，它没有直接抛出牛顿的万有引力公式，而是先回顾了前人（如笛卡尔和开普勒）的努力和局限性，这为牛顿的突破做了极好的铺垫，让读者充分体会到那种“站在巨人肩膀上”的成就感。在讲解月球运动的微小偏差时，作者使用了极其精妙的语言，将那些微小的、难以察觉的扰动描绘得如同宇宙中的低语，这极大地激发了我对细节的关注。不同于某些教科书直接给出复杂积分方程，这本书似乎更侧重于概念的物理图像构建。它引导我们思考角动量守恒在轨道几何中的体现，以及能量如何决定了轨道的形状——这种自上而下的讲解思路，极大地降低了初学者的心理门槛。我甚至觉得，如果我在高中物理课上读到的是这样的材料，我对宇宙的兴趣可能会提早十年爆发。整本书读下来，没有感到任何冗余或拖沓，每一页似乎都在为构建一个完整的、逻辑自洽的宇宙模型添砖加瓦。

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对于那些期望一板一眼学习偏微分方程和拉格朗日点的读者来说，这本书可能需要作为补充阅读材料，因为它更多地侧重于构建宏观的、直观的物理理解，而不是深入到高等数学的细节推导中。然而，正是这种“取舍”，使得它成为了一个绝佳的入门读物。作者对“潮汐力”的解释尤其精彩，他没有直接扔出潮汐力的梯度公式，而是通过生动地比较地球对月球近侧和远侧的引力差，形象地展示了为什么潮汐会产生，以及为什么它会导致地月距离的缓慢变化。这种基于物理直觉的引导，远比纯粹的数学推导更具说服力。阅读过程中，我时常停下来，抬头望向窗外，试图在自己熟悉的日常景象中寻找那些隐藏在书中的规律——比如计算自己跳跃时身体受到的微小行星引力影响。这种将抽象理论与日常体验连接起来的尝试，是这本书最令人称道的地方，它成功地将天体力学从遥远的太空拉回到了我们身边，让读者感觉自己也是这个宏大物理系统中的一部分。

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这本书的排版和插图质量值得称赞。那些描绘不同轨道类型——椭圆、抛物线、双曲线——的示意图，线条清晰，色彩运用得当，使得区分这些本质上相似但物理意义迥异的轨道形态变得轻而易举。更难得的是，作者在讨论轨道摄动和非保守力对长期稳定的影响时，选用的例子都非常贴近现代航天事业的需求，例如如何计算人造卫星的进动和漂移。这使得这本书的内容不仅具有古典的学术价值，更展现了极强的现实意义。我尤其喜欢其中关于“稳定性和混沌”的讨论，作者用非常简洁的语言描述了如何通过庞加莱截面来识别一个看似随机的轨道运动中可能存在的确定性结构。这部分内容拓展了我的思维边界，让我意识到即使在看似无序的宇宙运行中，也存在着深层的秩序和规律，只是这种秩序的表达方式比我们想象的要复杂得多。总而言之，这本书是一次令人身心愉悦的智力旅行，它成功地在保持科学严谨性的前提下，激发了读者对宇宙最原始的好奇心和敬畏感。

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