内容简介
本书系统阐述航天器轨道力学知识，含太阳系与轨道力学发展历程、时间系统和质点动力学基础；二体轨道等经典内容；轨道覆盖等与航天任务相关内容；限制性三体问题等深空轨道知识。内容丰富、体系严谨、图像清晰，配例题习题，可作本科教材，供航天相关专业研究生和从业人员参考 。
目录
第1章 绪论 1
1.1 太阳系 1
1.1.1 太阳系组成 1
1.1.2 行星轨道要素 2
1.1.3 地月系统 3
1.1.4 正则单位 5
1.2 天体力学的发展历程 6
1.2.1 萌芽期 6
1.2.2 奠基期 8
1.2.3 发展期 9
1.3 从天体力学到轨道力学 10
1.3.1 天体力学与轨道力学的异同 10
1.3.2 火箭推进技术探索时代 10
1.3.3 航天时代 11
1.3.4 轨道力学的地位作用 11
习题 11
参考文献 11
第2章 基础知识 13
2.1 常用直角坐标系 13
2.1.1 地心惯性坐标系 13
2.1.2 地心固连坐标系 14
2.1.3 测站坐标系 14
2.1.4 近焦点坐标系 15
2.1.5 质心轨道坐标系 15
2.2 天球和天球坐标系 15
2.2.1 天球的定义 16
2.2.2 天球上的点和圈 16
2.2.3 天球坐标系 18
2.3 时间系统 20
2.3.1 天体视运动 21
2.3.2 时间计量原则 21
2.3.3 太阳时 22
2.3.4 恒星时 24
2.3.5 地方时、世界时和区时 25
2.3.6 儒略日 25
2.4 质点动力学基础 27
2.4.1 运动学 27
2.4.2 牛顿定律 30
2.4.3 运动矢量的时间导数 32
2.4.4 相对运动 35
习题 41
参考文献 41
第3章 二体轨道 43
3.1 二体运动方程 43
3.1.1 二体问题 43
3.1.2 运动常数 44
3.1.3 轨道方程 46
3.2 轨道圆锥曲线 51
3.2.1 椭圆轨道 51
3.2.2 圆轨道 53
3.2.3 抛物线轨道 53
3.2.4 双曲线轨道 55
3.3 轨道要素与状态向量 56
3.3.1 经典轨道要素 56
3.3.2 已知状态向量求解轨道要素 57
3.3.3 坐标转换 60
习题 64
参考文献 65
第4章 轨道递推 66
4.1 飞行时间与偏近点角的关系 66
4.1.1 椭圆轨道的飞行时间 66
4.1.2 抛物线和双曲线轨道的飞行时间 69
4.1.3 近似抛物线轨道时的精度降低 70
4.1.4 与D、E、F有关的一些恒等式 71
4.2 拉格朗日系数 73
4.2.1 近焦点坐标系中的运动状态 73
4.2.2 拉格朗日系数的一般方程 75
4.2.3 真近点角表示的拉格朗日系数 77
4.2.4 偏近点角表示的拉格朗日系数 78
4.3 飞行时间的普适公式 79
4.3.1 开普勒问题 79
4.3.2 普适变量 80
4.3.3 普适开普勒方程 81
习题 83
参考文献 83
第5章 初始轨道确定 85
第6章 轨道摄动 105
第7章 轨道覆盖与轨道类型 123
第8章 轨道机动 150
第9章 相对轨道 187
第10章 深空轨道 206
附录A 轨道力学常数 249
附录B 方向余弦阵 250
附录C 球面三角形 253
前言/序言
轨道力学作为连接天体运动与航天工程的关键学科，其理论体系历经三百余年的演进与发展。开普勒基于第谷观测数据总结的行星运动三大定律，为轨道力学奠定了多方面的理论基础，并深刻影响了后续天体力学的发展。牛顿在《自然哲学的数学原理》一书中系统阐述了三大运动定律与万有引力定律，人类首次能够通过数学方程精确描述天体间的相互作用，不仅统一了地月系统与行星绕日运动的规律，更为人造航天器轨道设计与控制提供了核心理论支撑。
相较于传统天体力学聚焦于月球、行星等自然天体的研究，航天器轨道力学主要针对近地空间至深空域的人造物体运动特性展开研究。该学科需要综合运用经典力学与控制理论的最新成果，在动力学框架下解析航天器在多类作用力作用下的复杂运动轨迹。具体而言，需考虑地球非球形引力场引起的J2，项摄动、日月引力摄动、大气阻力及太阳光压等多因素耦合效应，同时还要处理航天器自身控制系统产生的控制力。
本书以服务国家航天强国战略为导向，针对编者团队单位航天发射测控、航天任务规划、航天态势感知等特色专业的人才培养需求，构建了“基础理论－经典应用－前沿拓展”的阶梯式知识体系。全书共10章，内容上既注重学科纵深发展，又强调工程实践衔接，具体架构如下：第1章～第2章聚焦学科基础与认知框架，包括轨道力学的发展历程、时空系统和质点动力学基础；第3章～第6章深入解析经典天体力学精髓，包括二体轨道轨道递推、轨道确定和轨道摄动；第7章～第9章聚焦轨道力学在航天工程任务中的应用，包括轨道覆盖与轨道类型、轨道机动和相对轨道；第10章前瞻性探讨了限制性三体问题、月球和行星探测等深空轨道的基础知识；附录给出了常用轨道力学常数，以及方向余弦阵和球面三角形的基本公式。
本书的创作初心始终根植于三个维度：构建“知天”的认知体系、锤炼“用天”的实践能力、掌握“算天”的核心技术，致力于打造一部贯通天体力学、航天器工程应用与计算机编程计算的综合型教材。在本书的编写过程中作者参考了国内外本领域众多学者的教研成果，在此表示衷心的感谢。本书既可作为航天类院校本科生的教材，也可供航天相关专业研究生和从业人员学习参考。
编者深切体会到教材作为知识传递与人才培养基石的重要使命，始终以敬畏之心和如临深渊、如履薄冰的态度编写本书，力求在能力范围内做到最好，但由于水平有限，加之时间紧张，书中难免存在不足之处，在此，我们诚恳期盼广大读者特别是行业专家不吝赐教，将使用中发现的问题随时反馈至邮箱wangwjie@126.com。
编者
2024年11月
