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- 内容简介
- 目录
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本书以航天领域的基本理论和基础知识为重点,以坐标系统和时间系统为基础,以飞行器受力分析为支撑,分别对飞行器的主动段、自由段和返回再入段的动力学和运动学特性进行了详细介绍。另外,从实际应用出发,简要介绍了轨道摄动和轨道机动的概念,以及几种典型的卫星轨道。本书比较适合作为航天专业的本科生教材,也可以作为航天领域专业技术人员的基础知识参考书。
目录
前言0
第1章 力学基础1
1.1 天体力学的发展过程1
1.2 力学的基本定律和一般定理2
1.3 矢量导数关系3
1.4 引力场位函数4
1.4.1 引力场位函数的概念4
1.4.2 天体为均匀球壳时的引力位函数5
1.4.3 天体为不规则球体时的引力位函数6
1.5 变质量力学基本原理11
1.5.1 变质量质点系的基本方程11
1.5.2 变质量质点系的质心运动方程13
1.5.3 变质量质点系的绕质心转动方程14
练习题16
第2章 空间直角坐标系统17
2.1 空间直角坐标系间的转换矩阵17
2.1.1 方向余弦阵17
2.1.2 方向余弦阵的欧拉角表示法19
2.2 常用的空间直角坐标系20
2.2.1 地心惯性坐标系OE-XI YI ZI21
2.2.2 地心坐标系OE-XE YE ZE21
2.2.3 发射坐标系O-xyz21
2.2.4 发射惯性坐标系oA-xA yA zA22
2.2.5 平移坐标系OT-xT yT zT23
2.2.6 箭体坐标系o1-x1y1z123
2.2.7 速度坐标系o1-xv yv zv23
2.2.8 轨道坐标系OE-ξηζ24
2.2.9 测站坐标系S-xS yS zS24
2.3 常用空间直角坐标系间的转换25
2.3.1 从地心惯性坐标系I转换到地心坐标系E的方向余弦阵25
2.3.2 从地心坐标系E到发射坐标系G的方向余弦阵26
2.3.3 从发射坐标系G到箭体坐标系B的方向余弦阵27
2.3.4 发射系G与速度系V间的方向余弦阵28
2.3.5 速度坐标系V与箭体坐标系B间的方向余弦阵29
2.3.6 平移坐标系T/发射惯性坐标系A与发射坐标系G的方向余弦阵30
2.3.7 地心坐标系E与测站坐标系S之间的方向余弦阵转换32
2.3.8 欧拉角的联系方程33
练习题35
第3章 天球坐标系与时间系统36
3.1 天球与球面三角形36
3.1.1 天球的概念及其特性36
3.1.2 球面三角形的定义及定理36
3.1.3 简单球面三角形的基本性质39
3.1.4 球面三角形的基本公式39
3.1.5 两种特殊的球面三角形43
3.2 常用的天球坐标系44
3.2.1 天球坐标系的构成44
3.2.2 天球上主要的圈和点45
3.2.3 地平坐标系46
3.2.4 时角坐标系47
3.2.5 赤道坐标系48
3.2.6 黄道坐标系48
3.3 天球坐标系的相互关系49
3.3.1 地平坐标系与时角坐标系的转换49
3.3.2 赤道坐标系与时角坐标系的转换51
3.3.3 黄道坐标系与赤道坐标系的转换51
3.4 地面点坐标与空间坐标51
3.4.1 地面点坐标51
3.4.2 空间坐标系54
3.5 时间系统55
3.5.1 天体的周日视运动55
3.5.2 恒星时56
3.5.3 真太阳时和平太阳时57
3.5.4 地方时、世界时和区时60
3.5.5 轨道计算中常用的时间系统及其换算关系61
3.5.6 儒略年63
练习题65
第4章 地球及其引力场66
4.1 地球的形状66
4.2 地球的运动67
4.3 地球引力位函数68
4.4 引力和重力70
4.4.1 引力70
4.4.2 重力72
练习题74
第5章 推力、控制力与控制力矩75
5.1 附加力与附加力矩75
5.1.1 附加相对力F′rel76
5.1.2 附加哥氏力F′k77
5.1.3 附加哥氏力矩M′k78
5.1.4 附加相对力矩M′rel79
5.2 发动机特性及发动机推力81
5.2.1 火箭发动机工作原理81
5.2.2 发动机的推力82
5.2.3 比冲PSP84
5.3 控制力和控制力矩84
5.3.1 火箭状态参数的测量84
5.3.2 姿态控制系统86
5.3.3 控制力和控制力矩87
练习题91
第6章 空气动力及空气动力矩92
6.1 地球大气92
6.1.1 大气结构92
6.1.2 标准大气93
6.2 空气动力97
6.2.1 空气动力的一般表示形式97
6.2.2 空气动力在不同坐标系中的表示形式98
6.2.3 气动系数98
6.3 空气动力矩101
6.3.1 稳定力矩Mst101
6.3.2 稳定力矩与质心和压心的关系102
6.3.3 阻尼力矩Md103
练习题104
第7章 飞行器的主动段运动105
7.1 弹道分段105
7.2 主动段动力学矢量方程107
7.2.1 质心动力学方程107
7.2.2 绕质心转动的动力学方程107
7.3 地面发射坐标系中的空间弹道方程108
7.3.1 地面发射坐标系中的质心动力学方程108
7.3.2 箭体坐标系中的绕质心动力学方程112
7.3.3 运动学方程114
7.3.4 控制方程115
7.3.5 联系方程115
7.3.6 附加方程116
7.4 地面发射坐标系中的空间弹道计算方程117
7.4.1 假设条件117
7.4.2 空间弹道计算方程118
7.4.3 用视加速度表示的质心动力学方程119
7.4.4 弹道参数计算120
7.5 速度坐标系中的空间弹道方程124
7.5.1 速度坐标系中的质心动力学方程124
7.5.2 半速度坐标系中的质心动力学方程126
7.5.3 速度坐标系中的空间弹道方程126
7.5.4 速度坐标系中的空间弹道计算方程127
7.6 主动段运动特性分析129
7.6.1 用于方案论证阶段的简化纵向运动方程129
7.6.2 切向运动特性分析130
7.6.3 主动段转弯过程131
练习题137
第8章 二体问题138
8.1 N体问题及其初积分138
8.1.1 N体问题的运动方程138
8.1.2 N体问题的初积分139
8.2 二体问题的一般解141
8.2.1 二体问题的基本方程141
8.2.2 二体问题的一般解142
8.2.3 天体在轨道上的速度144
8.2.4 二体系统的动能145
8.2.5 有心力运动146
8.3 二体运动的一般特性146
8.3.1 速度图146
8.3.2 三种圆锥曲线轨道的特点149
8.4 位置与时间之间的关系151
8.4.1 圆轨道151
8.4.2 椭圆轨道152
8.4.3 抛物线轨道157
8.4.4 双曲线轨道157
练习题158
第9章 飞行器的轨道运动159
9.1 轨道运动方程159
9.2 关机点参数与轨道的关系161
9.2.1 e、p与主动段关机点参数之间的关系162
9.2.2 圆锥曲线形状与主动段关机点参数的关系164
9.2.3 椭圆的几何参数与主动段关机点参数的关系167
9.2.4 成为人造地球卫星或导弹的条件169
9.3 轨道要素170
9.4 轨道要素与位置速度的转换关系173
9.4.1 由轨道要素求位置速度173
9.4.2 由位置速度求轨道要素175
9.5 飞行时间的计算177
9.5.1 主动段关机点参数与自由段运动参数的关系177
9.5.2 主动段关机点参数与被动段飞行时间的关系179
9.6 射程计算与误差分析181
9.6.1 被动段射程的计算182
9.6.2 自由段射程的计算184
9.6.3 已知主动段关机点参数求最大被动段射程186
9.6.4 已知被动段射程求最佳速度倾角和最小能量参数188
9.6.5 误差分析189
练习题191
第10章 飞行器的返回与再入运动193
10.1 返回轨道193
10.1.1 返回轨道的分段193
10.1.2 返回轨道的类型196
10.2 弹道式再入段运动197
10.2.1 再入段的一般运动方程197
10.2.2 简化的再入段运动方程202
10.2.3 零攻角再入时运动参数的近似计算203
10.2.4 弹道式再入航天器的返回轨道参数选择205
10.2.5 对卫星返回着陆及回收区的一般要求207
10.3 弹道-升力式再入段运动208
10.4 飞船的着陆段运动213
练习题214
第11章 轨道摄动215
11.1 轨道摄动的含义215
11.2 地球非球形引力摄动215
11.3 N体摄动218
11.4 太阳直接辐射压摄动218
11.5 地球固体潮摄动221
11.6 大气阻力摄动221
11.7 巡航姿态控制动力摄动222
练习题222
第12章 轨道机动223
12.1 轨道机动的含义223
12.2 轨道调整225
12.2.1 小推力作用下的轨道要素变化225
12.2.2 轨道周期调整226
12.2.3 轨道半长轴和偏心率调整227
12.2.4 升交点赤经和轨道倾角调整230
12.2.5 轨道要素调整的特殊点231
12.3 轨道改变232
12.3.1 共面轨道改变232
12.3.2 轨道面改变233
12.3.3 非共面轨道改变的一般情况236
12.4 轨道转移237
12.4.1 共面圆轨道的两冲量最优转移237
12.4.2 共面圆轨道的三冲量转移239
12.4.3 共面椭圆轨道之间的转移241
12.5 轨道拦截242
12.5.1 最小能量拦截轨道244
12.5.2 固定时间拦截轨道245
12.6 共轨机动246
练习题249
第13章 星下点轨迹与轨道类型251
13.1 星下点轨迹251
13.1.1 无旋地球上的星下点轨迹251
13.1.2 旋转地球上的星下点轨迹253
13.1.3 考虑摄动影响时的星下点轨迹256
13.2 卫星轨道分类257
13.2.1 按照轨道形状分类257
13.2.2 按照轨道倾角分类259
13.2.3 按照轨道高度分类260
13.2.4 按照轨道周期关系分类261
练习题262
附录A 常用参数263
附录B 常用术语英汉对照表264
附录C 坐标系间的四元数表示法267
1.四元数的定义267
2.四元数的运算法则267
附录D 开普勒方程的几种求解方法273
参考文献275