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出版者:Butterworth-Heinemann

作者:Howard Curtis

出品人:

页数:704

译者:

出版时间:2004-12-27

价格:USD 83.95

装帧:Hardcover

isbn号码:9780750661690

丛书系列:

图书标签:

航天专业
西工大图书馆
工程
轨道力学
航天工程
天体力学
飞行器动力学
空间动力学
轨道设计
轨道控制
卫星轨道
航天器
引力

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具体描述

Orbital mechanics is a cornerstone subject for aerospace engineering students. However, with its basis in classical physics and mechanics, it can be a difficult and weighty subject. Howard Curtis - Professor of Aerospace Engineering at Embry-Riddle University, the US's #1 rated undergraduate aerospace school - focuses on what students at undergraduate and taught masters level really need to know in this hugely valuable text. Fully supported by the analytical features and computer based tools required by today's students, it brings a fresh, modern, accessible approach to teaching and learning orbital mechanics. A truly essential new resource.

* A complete, stand-alone text for this core aerospace engineering subject

* Richly-detailed, up-to-date curriculum coverage; clearly and logically developed to meet the needs of students

* Highly illustrated and fully supported with downloadable MATLAB algorithms for project and practical work; with fully worked examples throughout, Q&A material, extensive homework exercises and an Instructor's Manual.

天体动力学导论：从牛顿定律到霍曼转移轨道本书特色：本书旨在为初学者和希望巩固基础知识的工程师与科学家提供一个清晰、全面的天体动力学入门指南。我们不追求对前沿研究的全面覆盖，而是专注于奠定坚实的理论基础，确保读者能够扎实地掌握描述天体运动的基本物理原理、数学工具和工程应用。第一部分：运动的基石——两体问题与开普勒定律本部分从牛顿万有引力定律出发，系统性地推导了描述两个仅受彼此引力作用的天体之间相对运动的微分方程。我们将深入探讨如何利用微分方程的解析解来描述这些运动，并重点阐述开普勒三大定律在数学形式上的精确表达及其物理意义。第一章：引力的本质与坐标系的选择 1.1 牛顿的遗产：详细回顾万有引力定律，讨论其在宏观宇宙尺度上的适用性与局限性。 1.2 惯性系与非惯性系：区分观测天体运动所必需的惯性参考系（如地心惯性系J2000.0）与观测者所在的非惯性系。着重介绍描述轨道所必需的基准坐标系——大地惯性系（ECEF）与天体惯性系（ECI）之间的转换关系。 1.3 角动量守恒与能量守恒：证明在中心力场中，角动量和总机械能是守恒量，并解释这些守恒量如何直接决定轨道的基本形状。第二章：二维轨道几何与轨道根数本章聚焦于描述平面轨道所需的几何参数。我们将通过求解二体运动的运动方程，推导出轨道形状（圆锥曲线）的普遍方程。 2.1 轨道方程的推导：利用拉格朗日或牛顿方法，推导出以中心天体为焦点的轨道极坐标方程 $r = frac{p}{1 + e cos heta}$。 2.2 轨道六根数（Keplerian Elements）：详细定义并解释描述特定轨道状态所需的六个独立参数：半长轴 ($a$)：决定轨道能量。偏心率 ($e$)：决定轨道形状。轨道倾角 ($i$)：轨道面相对于参考平面的倾角。近点角 ($omega$)：近地点在轨道平面内的方位角。上升交点赤经 ($Omega$)：轨道面与参考平面的交线在参考平面内的定向。真近点角 ($ u$)：物体在轨道上的当前位置。 2.3 轨道的几何特性：深入分析不同偏心率（$e=0$ 圆轨道，$01$ 双曲线轨道）对应的物理情景，并计算近地点（Periapsis）和远地点（Apoapsis）的半径与速度。第三章：时间与位置的关联——开普勒方程理解轨道状态的关键在于如何将空间位置（角位置）与时间关联起来。本章集中讨论这一非线性问题。 3.1 真近点角、平近点角与平近点角：定义这三个描述物体在轨道上进度的角度参数，并阐述它们之间的区别。 3.2 开普勒方程的引入：给出核心的开普勒方程 $M = E - e sin E$，解释其中涉及的平均运动 ($n$)、平均近点角 ($M$) 和椭圆离心率 $($E)$。 3.3 求解方法：介绍迭代法（如牛顿-拉夫逊法）求解开普勒方程，以确定特定时刻的位置。同时，简要提及计算回归时间（Synodic Period）和会合周期的概念。 --- 第二部分：轨道动力学与转移策略在掌握了描述稳定轨道所需的数学工具后，本部分将探讨天体如何在不同轨道间进行转移，以及地球非球形引力对实际轨道的影响。第四章：轨道上的速度与能量关系本章将速度矢量与轨道参数联系起来，这是轨道机动设计的基础。 4.1 速度的组成：将瞬时速度分解为径向分量和法向分量，并探讨速度如何随轨道位置变化。 4.2 特殊速度：计算近地点和远地点的速度，并推导出逃逸速度的概念。 4.3 轨道能量（Vis-Viva 方程）：导出描述轨道速度与轨道大小之间关系的 Vis-Viva 方程 $v^2 = mu left( frac{2}{r} - frac{1}{a} ight)$，强调轨道能量 $left( -frac{mu}{2a} ight)$ 仅依赖于半长轴 $a$。第五章：基本的轨道转移——霍曼转移霍曼转移（Hohmann Transfer）是航天工程中最基本也是最经济的轨道转移方式。 5.1 转移原理：阐述如何利用两次脉冲变推力（Impulse Maneuvers）实现两个共面圆轨道之间的转移，即在初始轨道近地点施加加速，进入一个与目标轨道相切的椭圆转移轨道，到达目标轨道远地点时再次施加加速。 5.2 转移所需的速度增量 ($Delta V$): 详细计算第一次点火所需的 $Delta V_1$ 和第二次点火所需的 $Delta V_2$，以及总的 $Delta V$ 需求。 5.3 转移时间计算：计算转移轨道半长轴，并据此推导出转移所需的半周期时间 $T_{transfer}$。 5.4 转移效率分析：讨论霍曼转移的优势（能量最低）和局限性（需要精确对准平面）。第六章：平面外机动与轨道倾角修正当目标轨道与初始轨道不共面时，需要进行倾角修改。 6.1 倾角变化的概念：解释倾角变化 ($Delta i$) 必须在轨道平面交点（Ascending or Descending Node）进行以最小化 $Delta V$ 消耗。 6.2 节点速度的分解：将速度矢量分解到当前的轨道平面和目标轨道平面内，推导在交点处进行倾角修正所需的 $Delta V$ 公式。 6.3 节点转移的优化：讨论在近地点或远地点进行倾角修正（虽然 $Delta V$ 需求较高）与在交点修正的权衡。 --- 第三部分：非理想摄动与轨道维持在实际工程中，天体运动受到多种非理想因素的干扰。本部分将介绍最主要的摄动源及其对轨道的影响。第七章：地球非球形引力场的影响——J2 摄动地球的赤道隆起是影响近地轨道卫星寿命的最主要因素。 7.1 理想二体模型的局限性：阐述为什么 $1/r^2$ 以外的引力项必须被考虑。 7.2 J2 项的影响：引入地球的非球形重力场模型，重点分析第二阶谐量系数 $J_2$ 带来的摄动力。 7.3 轨道参数的长期演化：推导 $J_2$ 摄动对升交点赤经 ($dot{Omega}$) 和近地点角速度 ($dot{omega}$) 的平均漂移率（Precession Rates）。解释这一现象如何导致轨道的自动进动，以及如何利用它实现“太阳同步轨道”的设计。第八章：其他主要摄动源概述 8.1 大气阻力（Drag）：讨论大气密度模型（如 NRLMSISE-00）对低地球轨道（LEO）卫星的影响，分析阻力如何降低半长轴并使轨道衰减。 8.2 太阳和月球的引力摄动：简要介绍太阳和月球对高轨道（如地球静止轨道）的影响，特别是它们如何导致轨道面和近地点的周期性漂移。结论：从理论到实践的桥梁本书的目的是提供一个坚实的基础，使读者能够自信地处理和分析航天器在引力场中的运动。掌握这些基础知识，是深入研究复杂多体问题、轨道确定和飞行路径规划的先决条件。