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Nationally regarded authors Andrew Pytel and Jaan Kiusalaas bring a depth of experience that can't be surpassed in this third edition of Engineering Mechanics: Dynamics. They have refined their solid coverage of the material without overloading it with extraneous detail and have revised the now 2-color text to be even more concise and appropriate to today's engineering student. The text discusses the application of the fundamentals of Newtonian dynamics and applies them to real-world engineering problems. An accompanying Study Guide is also available for this text.
好的，这是一本名为《天体动力学与轨道设计》的图书简介。 --- 《天体动力学与轨道设计》 核心内容概览 《天体动力学与轨道设计》是一本全面深入探讨天体运动规律、航天器轨道建立、维持与优化的专业著作。本书旨在为航空航天工程师、行星科学家、天体物理研究人员以及高年级本科生和研究生提供一个坚实而前沿的理论与实践基础。 本书的结构设计遵循从基础理论到复杂应用的逻辑，首先系统梳理了经典力学在天体系统中的应用，随后深入探讨了多体问题、摄动理论，最终落脚于现代航天任务中的轨道设计、机动与控制。全书涵盖了卫星导航、深空探测、行星际转移等多个关键领域，力求展现天体力学理论的严谨性及其在工程实践中的强大生命力。 第一部分：基础理论与运动学基础（Foundation Theories and Kinematics） 本部分是构建后续复杂分析的基石，重点关注描述天体运动所必需的数学工具和物理定律的严密推导。 第一章：经典力学在天体运动中的应用回顾 本章首先回顾了牛顿万有引力定律及其在航天任务背景下的适用性。详细阐述了从拉格朗日力学和哈密顿力学视角对两体问题的再审视，强调了能量、角动量守恒在轨道动力学中的核心地位。引入了拉普拉斯-龙格-楞次（Laplace-Runge-Lenz）矢量，作为分析中心力场中轨道形状和方向的不可或缺的守恒量。 第二章：轨道描述与坐标系转换 精确的轨道描述依赖于选取的参考坐标系。本章系统地介绍了描述航天器位置和速度的各种常用坐标系，包括惯性系（如J2000.0、ECI）、地心坐标系（ECEF）以及与航天器本体固连的坐标系。重点在于欧拉角、四元数在描述空间姿态和实现坐标系之间转换中的应用，并详细推导了不同坐标系之间旋转矩阵的精确构建方法，为后续的轨道预测提供必要的数学框架。 第三章：开普勒问题与轨道要素的解析解 这是本书的核心基础章节。本章详细解析了理想两体问题（开普勒问题）的解析解。内容涵盖了六根经典轨道根数（Keplerian Orbital Elements）的定义、物理意义及其在轨道计算中的应用。特别探讨了如何利用这些根数在任意历元时间计算航天器位置和速度。同时，对轨道几何特性，如近地点、远地点、升交点、偏心率等，进行了深入的几何与动力学分析。 第二部分：摄动理论与高精度轨道确定（Perturbation Theory and High-Fidelity Orbit Determination） 在实际的航天任务中，航天器并非在理想的真空环境中运行。本部分聚焦于引入非保守力与微小力，并发展相应的摄动分析工具。 第四章：主要的轨道摄动力学模型 本章系统地分类和量化了影响近地轨道和地月空间航天器的主要摄动力。详细分析了： 1. 地球非球形引力摄动（J2效应）：着重于地球扁率（J2项）对轨道参数的长期影响，推导了拉格朗日二阶摄动方程中周期性和非周期性项的系数。 2. 大气阻力模型：基于经验模型（如NRLMSISE-00），探讨了大气密度随时间和空间的变化，并建立了航天器轨道衰减的简化模型。 3. 太阳光压力与辐射压力：针对高轨和深空探测器，推导了光压对轨道微小修正的影响。 4. 其他微小摄动：包括地潮汐力、相对论效应的初步探讨。 第五章：摄动理论的解析与数值方法 本章介绍了处理摄动问题的经典工具。详细阐述了拉格朗日常微分方程（Variation of Parameters）在轨道摄动计算中的应用，并推导了基于平均轨道根数的长时间演化方程。此外，也介绍了数值积分方法（如Runge-Kutta族）在高精度轨道预测中的实施细节与误差控制策略。 第三部分：航天器轨道机动与设计（Orbital Maneuvers and Mission Design） 本部分将理论动力学与工程实践紧密结合，重点关注如何设计和执行高效的轨道改变操作。 第六章：轨道转移的经典方法与效率分析 本章深入研究了航天器从一个轨道转移到另一个轨道的策略。详细分析了： 1. 霍曼转移（Hohmann Transfer）：作为基础，精确计算了在椭圆轨道间转移所需的ΔV和转移时间。 2. 双椭圆转移（Bi-Elliptic Transfer）：在特定限制条件下（如发射窗口受限）的优化分析。 3. 近圆轨道小推力机动：利用能量梯度与偏心率梯度，分析了低推力系统（如离子推进器）的轨道渐变策略，引入引力辅助（Gravity Assist）的概念，探讨了其在深空任务中的巨大潜力。 第七章：轨道控制与姿态动力学耦合 本章探讨了在轨道机动过程中，如何维持航天器的姿态稳定。引入了航天器本体动力学，分析了三轴稳定、动量轮/反作用轮系统的工作原理。重点讲解了推进器冲量与姿态控制的相互影响，以及在执行轨道平面机动时，如何通过姿态控制来优化推力方向以最小化轨道根数的耦合误差。 第八章：特殊轨道与任务应用 本部分聚焦于现代航天任务中最具挑战性的轨道类型： 1. 地球同步轨道（GEO）与地球静止轨道（GSO）：详细分析了保持轨道“箱式”操作（Box-Wing Maneuvering）的燃料消耗模型。 2. 共面与非共面交会/会合（Rendezvous and Docking）：基于二体动力学近似（Clohessy-Wiltshire方程，即相对轨道方程），建立了目标与跟踪器之间的相对运动模型，并设计了近距离机动策略。 3. 行星际轨道设计：引入三体问题的初步概念，如拉格朗日点（L1-L5）的稳定性分析，以及设计访问火星、木星等行星的转移轨道，强调了发射窗口的计算与优化。 第四部分：轨道确定与状态估计（Orbit Determination and State Estimation） 本部分关注如何利用实际观测数据（如测距、多普勒频移）来精确估计和修正航天器的实时轨道。 第九章：观测模型与数据处理 本章详细介绍了卫星定位观测中，各种传感器（雷达、激光测距仪、星敏感器）的观测方程建立。重点分析了观测误差的来源及其对轨道参数估计的影响。 第十章：状态估计的滤波理论 本书的最后一部分，系统介绍了现代轨道确定中不可或缺的统计滤波技术。详细推导了卡尔曼滤波（Kalman Filter）及其扩展形式——扩展卡尔曼滤波（EKF）在非线性轨道传播模型中的应用。通过实例演示了如何融合来自不同传感器的数据，实时修正和预测航天器的最佳轨道状态，实现高精度的轨道维持与导航。 --- 目标读者与特色 本书的撰写风格严谨、推导详尽，大量采用标准的数学符号和物理术语。它不仅是理论学习的参考书，更是指导实际航天工程设计与分析的工具书。通过本书，读者将能够完全掌握从牛顿定律出发，设计、预测和控制航天器轨道的完整工程流程。本书特别适合从事卫星导航、遥感、空间碎片监测以及深空探测任务规划的专业人士。
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