《深空探测轨道理论与应用》理论体系完整,并注意到与实际应用的紧密联系,既具基础性又具实用性。有关科技人员从中可获得解决天文探测与航天工程问题的理论依据和实用方法;也是天文、应用数学、一般力学和航天动力学等领域研究生学习轨道力学的基础教材。
《深空探测轨道理论与应用》是深空探测轨道力学领域的基础论著作,书中内容是作者30多年来在该领域的教学和多项研究工作成果的总结。主要针对深空探测器(即太阳系的人造小天体)的质心运动,阐述轨道力学的基本理论及其在航天领域各相关工程中的应用。
《深空探测轨道理论与应用》共10章,包括深空探测轨道力学的基本问题:限制性三体问题,特别是圆型限制性三体问题的动力学特征及其在各特定航天任务中的应用;深空探测(特别是月球、火星和小行星探测)器的发射轨道,转移轨道及其控制等关键问题。
刘林,南京大学天文系教授,博士生导师,天体力学与航天器轨道力学专家,我国航天器轨道力学的奠基人之一,被誉为我国航天器轨道力学学科的主要开创者和传授者。长期从事天体力学的基础研究和航天器轨道力学的理论与应用研究,在近年来神舟飞船、探月工程等重大航天任务中,做出了重要贡献。他的很多开创性成果与我国航天工程紧密相连,近年来主要从事深空探测轨道力学研究,先后主持国家自然科学基金和多项航天领域研究课题,在国内外学术刊物上发表相关论文250多篇,出版专著和教材10余本。曾获1978年全国科学大会重大成果奖、中国天文学会张钰哲奖,三次获得国家教委科技进步二等奖等。曾任中国天文学会理事、天体力学与卫星动力学专业委员会主任、中国宇航学会理事等,现任宇航学报编委、天文学报编委、教育部深空探测联合研究中心学术委员会委员等。
第1章 深空探测器运动的力学环境与数学模型 1
1.1 太阳系小天体运动对应的限制性问题 1
1.2 限制性问题的分类及其相应的力学模型 2
1.3 深空探测器运动的基本数学模型 4
参考文献 10
第2章 参考系与太阳系主要天体历表 11
2.1 时间系统 12
2.2 空间坐标系统 16
2.3 各大天体坐标系之间的联系 22
2.4 太阳系主要天体的历表 23
参考文献 28
第3章 限制性三体问题的基本方程与Jacobi积分 29
3.1 坐标系的选择与小天体的运动方程 29
3.2 圆型限制性三体问题的Jacobi积分与解的存在性 36
3.3 椭圆型限制性三体问题 40
3.4 圆型限制性(2+2)体问题 47
3.5 受摄圆型限制性三体问题的运动方程 48
参考文献 53
第4章 圆型限制性三体问题的平动解与周期解 55
4.1 圆型限制性三体问题的平动解 55
4.2 Jacobi常数及其5个临界值 58
4.3 零速度面与运动可能区域 59
4.4 椭圆型限制性三体问题的特解 65
4.5 圆型限制性(2+2)体问题的平动解 66
4.6 圆型限制性三体问题的周期解 68
参考文献 73
第5章 圆型限制性三体问题平动解的稳定性概况 74
5.1 各种稳定性的提法 74
5.2 平动解的稳定性概况 81
5.3 共线平动点附近的运动稳定性问题 85
5.4 三角平动点附近的运动稳定性问题 89
5.5 航天器的编队飞行问题 100
参考文献 105
第6章 共线平动点的动力学特征及其应用 106
6.1 共线平动点附近的周期和拟周期运动 106
6.2 共线平动点附近运动的不变流形 120
6.3 实际力模型下的拟周期运动 127
6.4 共线平动点特征在深空探测中的应用 134
参考文献 148
第7章 三角平动点的动力学特征及其应用 150
7.1 三角平动点稳定性的研究状况 150
7.2 三角平动点附近的周期轨道族 160
7.3 实际力模型下的拟周期轨道 169
7.4 三角平动点特征在深空探测中的应用 175
参考文献 192
第8章 月球探测的轨道问题 195
8.1 发射月球探测器的基本依据与自由返回轨道 195
8.2 地―月转移轨道及其轨道的几何特征 206
8.3 月―地转移轨道及其轨道的几何特征 219
8.4 发射月球探测器各类转移轨道的比较 230
参考文献 240
第9章 深空探测的轨道问题 242
9.1 朗伯方程 242
9.2 发射火星探测器的转移轨道 250
9.3 火星探测器发射的借力加速机制 264
9.4 其他大行星探测的轨道问题 271
9.5 深空探测中其他有关的轨道问题 275
参考文献 285
第10章 小行星探测的轨道问题 287
10.1 小行星简介 287
10.2 小行星的引力场模型 293
10.3 小行星探测的伴飞形式 309
10.4 小行星探测的环绕型轨道 313
参考文献 316
附 录 319
附录A 天文常数 319
附录B IAU2000天体定向模型 321
参考文献 324
总 序
本套著作丛书将系统地总结天文与航天领域关于航天器轨道力学的理论、关键技术创新和工程应用等方面的研究成果,并以此作为凝聚人才、打造尖端科研人才和开展航天科技自主创新研究的重要知识平台。
全套著作包含航天工程事业发展中需要的轨道力学所涉及的各个方面,包括精确的天文参考系,各类航天器的轨道运行理论、计算方法,工程应用中的轨道设计、测量、跟踪与控制,以及科学应用等。核心部分是轨道力学理论与计算方法,其理论体系完备,方法实用,与工程实践联系紧密,著作中的主要理论与方法在我国多项航天任务中已得到了成功的应用。撰写组成员包括从事与航天工程有密切联系的教学和理论研究专家、多年来活跃在航天工程第一线的技术专家,既保证了这套著作的严密理论体系,又能满足我国航天事业发展的实际需求,为我国当前和未来的重大航天工程实施提供理论和技术支撑。
本套著作除总结了作者自20世纪50年代末以来多年的研究成果外,还涵盖了作者在南京大学、上海天文台、相关高校和航天工程等单位讲课所撰写的10多本教材的相关内容,全套著作共有以下四个分册:
(1)参考坐标系及航天应用。
(2)卫星轨道理论与应用。
(3)深空探测轨道理论与应用。
(4)航天器定轨理论与应用。
这是一套体系严密,同时具有基础性和实用性,符合我国航天工程实践的专著。
考虑到四个分册编写内容之间的联系和差别,以及便于读者阅读,在四个分册中对某些问题进行了必要的重复阐述,同一内容也会有不同的表述等,但仍保持了全套丛书体系的完整性。
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前 言
随着航天技术的发展和各种需求,从20世纪50年代世界上第一颗人造地球卫星上天以来,各种航天器相继升空,为了实现人们对太阳系及宇宙空间的深入了解,深空探测领域的各种航天活动也随之展开。继20世纪60年代末美国实现载人登月后,航天研究又逐渐向深空发展,参与深空探测的国家和地区也越来越多,如美国、俄罗斯、欧空局、日本等。我国在深空探测领域起步比西方国家晚了近50年,但随着2007年“嫦娥”探月一期工程的圆满完成,深空探测计划也在稳步推进。
为了适应我国深空探测事业发展的需求,相应的深空探测器轨道力学的研究工作也应加快步伐,尽快地追踪国际上的研究水平,为此,我们将30年来在该领域的研究成果进行整理,并融入了作者在教学工作中的经验与总结撰写成本专著。
尽管国内外航天界对“深空”的含义有不同的见解,但就太阳系中探测器在运行过程中的受力状况而言,不外乎有两类力学模型:一是只有一个主要力源的受摄二体问题;二是有两个主要力源的限制性三体问题。通常所说的卫星(如大行星的自然物象,人造地球卫星、月球卫星、火星卫星等)运动,就属于前一类,而其他探测器的运动(如月球探测器、火星探测器,小行星探测器等转移轨道段的运行轨道)则属于后一类。在此前提下,不妨也将有争议的月球探测列入深空探测范畴,这并不涉及对“深空”如何准确定义的问题。关于第一类以受摄二体问题为主线展开论述的卫星运动问题,已作为全套专著的第二本出版,即“卫星轨道理论与应用”。本书是作为全套专著的第三本,以限制性三体问题的研究成果及其在航天领域的应用展开论述,书名为“深空探测轨道理论与应用”。
本书具体内容的安排分为如下四个部分。
第1章至第5章系统阐明深空探测器在各运行阶段所涉及的轨道力学基础,包括处理探测器运行的数学模型和已获得的基本结论,为进一步深入研究深空探测器运行轨道的特征奠定理论基础。
第6章和第7章介绍深空探测中的一个热点问题——平动点的动力学特征及其附近周期和拟周期轨道的存在性和构造方法,与共线平动点有关的不变流形和“节能通道”的动力学机制,以及平动点所具备的动力学特征在深空探测中的应用前景。
第8章和第9章是论述我国正在和将要开展的月球、火星等探测中的轨道力学问题。
第10章是小行星探测的轨道问题。
书中公式和符号较多,同一符号在不同公式中可能有不同含义,但为了需要,同一量在不同公式中可能又用不同的符号表示。然而,对于最常用的量,将尽量保持用同一符号表示,特别注意与本书涉及的全套专著的另三本书的统一表达形式,而且尽可能采用国际学术界在本学科领域中习惯采用的符号,便于读者查阅有关原始文献。
本书是根据南京大学天文系30多年来开设的研究生专业课程的自编教材(南京大学研究生重点建设教材《轨道力学》),2012年出版的“深空探测器轨道力学”和多项研究工作的积累而写成。作为本书的另一位作者——我的学生侯锡云博士,近年来在这一领域(特别是限制性三体问题的平动点动力学方面)做出了很出色的工作,包括他的优秀博士论文(平动点的动力学特征及其应用,获教育部、国务院学位委员会批准的“2011年全国优秀博士学位论文”奖),深得国内外同行的重视,并参与了第6至第10章的撰写。
这里还要特别感谢上海天文台的叶叔华院士,是她于21世纪初和2004年先后引荐我们参与了国家有关深空探测工程的先期论证工作,促进了本研究团队在深空探测轨道力学领域研究工作的深入,为本专著的撰写起了极其重要的推动作用。
刘 林
这本书的阅读体验,与其说是“学习”不如说是“沉浸”。作者以一种娓娓道来的方式,将我们带入了一个浩瀚而充满智慧的世界。在阅读之初,我并没有预期会深入到如此细致的轨道设计细节中。然而,作者通过对人类历史上几次关键的深空探测任务的剖析,如“旅行者”号的“大旅行”以及“卡西尼-惠更斯”号的土星探测,生动地展示了轨道理论在实际应用中的无限可能。我尤其喜欢书中对“轨道力学基础”部分的阐述。它不仅仅是枯燥的公式堆砌,作者通过大量的类比和图解,将引力、速度、轨道形状等抽象的概念具象化。例如,他用“宇宙中的橡皮筋”来比喻引力,用“在引力井中滑行”来描述航天器的运动。这种生动形象的讲解方式,让我在不丢失严谨性的前提下,能够轻松地理解复杂的原理。当我进入到“轨道设计与优化”部分时,我更是被深深吸引。作者详细介绍了霍曼转移轨道、引力助推以及轨道共振等概念,并结合实际任务,分析了这些技术的应用价值和潜在挑战。例如,他如何解释利用行星的引力来加速探测器,这种“借力打力”的智慧,让我对人类的科技创新能力赞叹不已。这本书让我认识到,每一次成功的深空探测,都离不开背后严谨的理论计算和精妙的工程设计,这背后凝聚着人类对宇宙规律的深刻认知和不懈探索的精神。
评分这本书给我最大的惊喜在于,它能够将深奥的轨道理论以一种如此易于接受的方式呈现出来。我原本以为会面对一本充斥着复杂数学公式的“天书”,但事实并非如此。作者在内容编排上非常巧妙,他并没有一开始就抛出令人望而生畏的计算模型,而是以一种宏大的视角,将读者带入到人类探索宇宙的漫长旅程中。书的前半部分,作者详细回顾了人类历史上那些具有里程碑意义的深空探测任务,比如旅行者号的“大旅行”,好奇号火星车的登陆,以及未来的木星冰月探测任务。在介绍这些任务的同时,作者着重讲解了其背后的轨道设计思想,以及如何利用天体力学的原理来规划航天器的飞行路径。我特别喜欢其中关于“轨道力学基础”的章节,作者并没有直接给出复杂的微分方程,而是通过生动的类比和图示,来解释引力、速度和轨道形状之间的关系。例如,他将地球比作一个巨大的“引力中心”,航天器则是在这个中心的“引力场”中运动,并通过改变自身的速度来改变其运动轨迹。这种直观的讲解方式,让原本抽象的理论变得触手可及。当进入到具体的轨道设计部分,作者更是将理论与实践紧密结合,详细分析了霍曼转移轨道、引力助推轨道等在实际任务中的应用,并阐述了其背后的计算原理。
评分这本书最大的亮点在于,它并没有将“理论”与“应用”割裂开来,而是将两者有机地融为一体。在讲解每一个理论概念时,作者都会立即联系到实际的深空探测任务。例如,在介绍轨道摄动时,作者并没有仅仅罗列出各种摄动源(如太阳辐射压、大气阻力、潮汐力等),而是详细分析了这些摄动如何影响探测器的实际轨道,以及工程师们如何通过轨道控制来修正这些偏差,以确保探测器能够精准地抵达预定目标。我特别喜欢书中关于“引力助推”章节的描述,作者通过具体案例,如旅行者号探测器的“行星跳跃”之旅,生动地展示了如何利用行星的引力场来加速航天器,这一策略极大地拓展了人类的探测范围,节省了宝贵的燃料。这不仅仅是理论上的巧妙运用,更是对宇宙规律的深刻洞察和大胆创新。书中的图示也非常精良,它们不仅仅是简单的示意图,更是将复杂的轨道运动和天体位置关系直观地呈现出来,帮助我更好地理解抽象的理论。我甚至可以想象,如果我是一名航天工程师,这本书无疑会是案头必备的参考书。即使我只是一个对太空充满好奇的普通读者,它也为我打开了一扇通往宇宙深处的大门,让我能够以一种更科学、更深入的方式去理解那些令人神往的深空探测任务。
评分初次接触这本书,我的预期是它会提供一套详细的轨道计算方法论,一套可以指导实际工程应用的“操作手册”。然而,书中呈现的内容远不止于此。它更像是一扇窗,让我得以窥见宇宙运行的规律,以及人类如何利用这些规律来规划和实现星际旅行。作者在第一部分就花了相当大的篇幅来阐述天体力学的基本原理,从牛顿万有引力定律的优雅到开普勒三大定律的精妙,这些经典理论的再梳理,虽然不是本书的“核心”内容,却为后续更复杂的轨道设计奠定了坚实的基础。我特别欣赏作者在讲解这些基础知识时,没有流于表面,而是深入剖析了这些定律背后所蕴含的物理意义和哲学思考。例如,在讲解引力井时,作者不仅仅给出了数学公式,还描绘了引力场如何扭曲时空,以及航天器如何在这样的时空中“滑动”,这种空间想象的引导,让我对宇宙的理解上升到了一个新的高度。书中关于不同轨道类型,如圆轨道、椭圆轨道、抛物线轨道和双曲线轨道的介绍,也都非常细致。作者不仅列出了它们的数学特征,更详细解释了它们在实际航天任务中的应用场景。例如,为何探测器需要进入霍曼转移轨道来往返于地球和火星之间,为何高轨道卫星需要利用引力弹弓效应来加速。这些解释都极具启发性,让我对航天器运动的轨迹不再是模糊的感知,而是有了清晰的认识。甚至对于一些常见的误解,比如“失重”到底是如何产生的,书中也给出了科学的解释,让我茅塞顿开。
评分这本书的书名听起来就颇具挑战性,我抱着学习一些基础知识的心态来阅读,但很快就被书中丰富的内涵所吸引。作者在开篇就花了很大的篇幅来介绍人类历史上那些伟大的深空探测项目,从最早的行星探测器,到如今跨越太阳系的旅行者号,再到正在进行的火星探测任务,每一个案例都被详细地介绍,并着重分析了其轨道设计的精妙之处。我印象最深刻的是关于“轨道设计”的这一部分,它远比我想象的要复杂和有趣。作者并没有仅仅停留于理论的罗列,而是深入浅出地解释了每一种轨道选择背后的考量,比如如何权衡燃料消耗、探测任务时间和科学目标。例如,在讲解“霍曼转移轨道”时,作者不仅给出了计算公式,还形象地比喻它为“省时省力的‘快捷通道’”,并详细解释了它如何应用于地球与火星之间的往返。这种结合实际案例的讲解方式,让我对抽象的轨道力学有了更加直观的认识。此外,书中还对一些特殊轨道,如“共振轨道”和“倾斜轨道”的应用进行了详细的阐述,让我了解到这些轨道在通信卫星、气象卫星以及一些特殊科学探测任务中的重要作用。这本书让我认识到,每一次成功的深空探测,都离不开背后严谨的轨道设计和精密的计算,这背后凝聚了无数科学家的智慧和汗水。
评分拿到这本书,我的第一反应是“这或许会有点晦涩”。毕竟,“轨道理论”听起来就充满了数学和物理的复杂性。然而,当我翻开第一页,就被作者流畅的文笔和宏大的叙事所吸引。作者并没有选择一开始就堆砌公式,而是以一种引人入胜的方式,将读者带入了人类探索宇宙的壮丽史诗。从古希腊天文学家们对宇宙规律的初步探索,到现代航天技术飞速发展的每一个里程碑,作者用生动的故事和鲜活的案例,串联起了人类对太空轨迹的认识演变。我尤其喜欢书中关于早期轨道力学发展的章节,它不仅仅是理论的介绍,更是充满了那个时代科学家的智慧与勇气。比如,作者在讲述伽利略如何利用望远镜观测行星运动,并为开普勒三大定律的提出奠定基础时,将我们带入了那个充满探索精神的时代。当书本进入到具体的轨道设计部分,作者也巧妙地运用了类比和图解,将原本抽象的数学概念变得易于理解。例如,在解释“引力井”的概念时,作者将地球比作一个巨大的“漏斗”,航天器则是在其中滑行的“弹珠”,通过这样的比喻,我能够直观地理解引力如何影响航天器的运动轨迹。书中关于不同轨道类型的介绍,也并非只是罗列公式,而是详细阐述了每种轨道在实际深空探测任务中的应用,比如如何利用“霍曼转移轨道”来实现行星间的廉价旅行,或者如何设计“引力助推轨道”来加速探测器。
评分这本书在我书架上静静地躺了有一段时间了,最近终于有时间翻开它。起初,我以为这会是一本艰深晦涩的专业书籍,充斥着我难以理解的公式和图表。然而,当指尖划过扉页,目光落在第一章的引言时,我的感觉便开始悄然改变。作者并没有一开始就抛出令人生畏的数学模型,而是以一种宏大的叙事开篇,将我们带入了人类探索宇宙的漫长历史中。从古代天文学家仰望星空,到伽利略的望远镜,再到现代航天技术的飞速发展,作者用生动流畅的笔触勾勒出了一幅波澜壮阔的画卷。我尤其喜欢其中关于早期航天器发射轨道设计的描述,它不仅仅是冰冷的数字计算,更是智慧与勇气的结晶,是人类挑战物理极限的生动体现。书中穿插的许多历史故事和鲜活案例,让原本抽象的理论变得触手可及。例如,讲述阿波罗登月计划的轨道设计时,作者详细描述了任务指挥中心里工程师们如何克服重重困难,通过精密的计算和实时的调整,最终将人类送上月球的壮举。这种将理论与实践紧密结合的方式,让我深深着迷,仿佛置身于那个激动人心的时代。而且,作者在解释一些复杂概念时,善于运用类比和形象的比喻,让即使是对轨道力学一无所知的人,也能大致理解其核心思想。例如,在讲解轨道转弯时,作者将航天器比作在引力井中滑行的物体,通过改变速度和方向来改变轨迹,这种直观的解释大大降低了阅读门槛。我甚至觉得,这本书不仅仅是一本关于太空探索的书,更是一部关于人类不懈追求、勇于探索未知的史诗。
评分这本书的书名就足以吸引对宇宙探索充满好奇的我,而内容更是没有让我失望。作者以一种非常宏观且引人入胜的方式,将深空探测的轨道理论展现在读者面前。它并非简单地罗列公式和算法,而是通过大量的历史案例和前沿研究,来阐释理论是如何在实践中被应用和发展的。我喜欢书中对历代深空探测任务的详细介绍,例如“旅行者号”的“行星际跳跃”,它不仅仅是技术上的壮举,更是人类对宇宙规律深刻理解和巧妙运用的典范。作者在讲解“轨道设计”时,并没有直接跳入复杂的数学计算,而是先从基本概念入手,例如引力的作用、惯性运动以及能量守恒定律,这些基础知识的铺垫,使得后续对复杂轨道的理解变得顺理成章。我特别欣赏书中关于“轨道控制”的章节,它详细阐述了如何在漫长的深空旅途中,通过微小的姿态调整和燃料喷射,来修正航天器的轨道偏差,确保其能够精确抵达预定目标。这不仅仅是技术上的挑战,更是对工程师们严谨态度和卓越能力的体现。书中穿插的许多图示和表格,也极大地帮助了我理解抽象的理论概念,例如不同轨道类型的几何形状,以及行星际转移轨道的能量消耗曲线。
评分说实话,翻开这本书前,我对“深空探测轨道理论”这个标题感到一丝畏惧。我担心它会是一堆枯燥的数学公式和晦涩的物理概念堆砌而成。然而,当阅读深入,我发现自己的顾虑是多余的。作者在内容编排上花了大量心思,使得理论的学习过程充满趣味性。书的前半部分,作者并没有直接进入复杂的轨道计算,而是从历史视角出发,回顾了人类在探索太空轨道方面的里程碑式的成就。我对此深感惊喜,尤其是关于早期卫星发射和载人航天任务的轨道规划,作者生动地描绘了当时的工程师们所面临的挑战以及他们是如何巧妙地运用有限的计算能力来解决问题的。这些故事充满了智慧和勇气,让我对那些伟大的先驱者肃然起敬。随后,作者开始逐步引入轨道力学的基本概念。与其上来就给出复杂的微分方程,他选择从更直观的角度解释引力、速度和轨道形状之间的关系。例如,他用了一个非常巧妙的比喻来解释为什么地球上的物体会落回地面,而月球却能围绕地球运转,这个比喻让我对万有引力定律的理解更加深刻。当进入到具体的轨道类型介绍时,作者更是详略得当。他不仅介绍了各种轨道的基本几何形状,还深入探讨了它们在深空探测任务中的具体应用,比如如何利用霍曼转移轨道来节省燃料,或者如何设计引力助推轨道来加速探测器。这些内容对我这个非专业人士来说,既有启发性,又不会显得过于高深。
评分我拿到这本书时,对其内容的深度和广度并没有一个非常明确的预期。然而,当阅读深入,我发现这本书的价值远超我的想象。它不仅仅是一本介绍深空探测轨道理论的书,更是一部关于人类如何理解和利用宇宙规律的百科全书。作者在书中花了相当大的篇幅来梳理天体力学的基本原理,从牛顿的万有引力定律到开普勒的行星运动定律,这些经典的理论被重新阐释,并与现代的深空探测实践紧密结合。我尤其欣赏作者在讲解这些基础知识时,没有流于表面,而是深入剖析了这些定律背后所蕴含的物理意义和哲学思考。例如,在讲解引力井时,作者不仅仅给出了数学公式,还描绘了引力场如何扭曲时空,以及航天器如何在这样的时空中“滑动”,这种空间想象的引导,让我对宇宙的理解上升到了一个新的高度。书中关于不同轨道类型,如圆轨道、椭圆轨道、抛物线轨道和双曲线轨道的介绍,也都非常细致。作者不仅列出了它们的数学特征,更详细解释了它们在实际航天任务中的应用场景。例如,为何探测器需要进入霍曼转移轨道来往返于地球和火星之间,为何高轨道卫星需要利用引力弹弓效应来加速。这些解释都极具启发性,让我对航天器运动的轨迹不再是模糊的感知,而是有了清晰的认识。
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