彈道與軌道理論就是從事彈道導(dǎo)彈和航天器發(fā)射、測控與運行管理的工程技術(shù)人員，以及航天指揮人員所必須掌握的專業(yè)基礎(chǔ)知識。本書以航天領(lǐng)域的基本理論和基礎(chǔ)知識為重點，以坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以飛行器受力分析為支撐，分別對飛行器的主動段、自由段和返回再入段的動力學(xué)和運動學(xué)特性進(jìn)行了詳細(xì)介紹；同時，從實際應(yīng)用出發(fā)，簡要介紹了軌道攝動和軌道機動的基本概念。本書比較適合作為航天專業(yè)的本科生教材，也可以作為航天領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員的基礎(chǔ)知識參考書。
張雅聲，女，博士生導(dǎo)師，裝發(fā)衛(wèi)星總體技術(shù)專業(yè)組專家、科技委聯(lián)合作戰(zhàn)實驗技術(shù)專業(yè)專家組專家。主持項目40余項，獲國家科技進(jìn)步二等獎1項，獲軍隊科技進(jìn)步一等獎2項、二等獎3項、三等獎4項，獲國家級一流本科課程1項，獲全國科普工作先進(jìn)工作者、全軍優(yōu)秀教師、中國航天基金獎、中國人民解放軍院校育才獎銀獎，獲全軍軍事職業(yè)教育精品在線開放課程和優(yōu)質(zhì)微課各1門，獲軍隊院校教學(xué)成果獎一等獎1項、三等獎1項，獲總裝備部教學(xué)成果一等獎1項，獲總裝備部巾幗建功先進(jìn)個人，總裝備部科技創(chuàng)新貢獻(xiàn)獎，榮立二等功2次、三等功3次。
目 錄
第1章 力學(xué)基礎(chǔ) 001
1.1 天體力學(xué)的發(fā)展過程 001
1.2 基本定律和一般定理 002
1.3 矢量導(dǎo)數(shù)關(guān)系 003
1.4 變質(zhì)量力學(xué)基本原理 004
1.4.1 變質(zhì)量質(zhì)點系的基本方程 004
1.4.2 變質(zhì)量質(zhì)點系的質(zhì)心運動方程 006
1.4.3 變質(zhì)量質(zhì)點系的繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動方程 007
練習(xí)題 009
第2章 空間直角坐標(biāo)系統(tǒng)及其轉(zhuǎn)換 010
2.1 空間直角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣 010
2.1.1 方向余弦陣 010
2.1.2 方向余弦陣的歐拉角表示法 012
2.2 常用的空間直角坐標(biāo)系 015
2.2.1 地心慣性坐標(biāo)系 015
2.2.2 地心坐標(biāo)系 016
2.2.3 發(fā)射坐標(biāo)系 016
2.2.4 發(fā)射慣性坐標(biāo)系 017
2.2.5 平移坐標(biāo)系 018
2.2.6 箭體坐標(biāo)系 018
2.2.7 速度坐標(biāo)系 019
2.2.8 兩類軌道坐標(biāo)系 019
2.2.9 測站坐標(biāo)系 020
2.3 常用空間直角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換 021
2.3.1 從地心慣性坐標(biāo)系到地心坐標(biāo)系的方向余弦陣 021
2.3.2 從地心坐標(biāo)系到發(fā)射坐標(biāo)系的方向余弦陣 022
2.3.3 從發(fā)射坐標(biāo)系到箭體坐標(biāo)系的方向余弦陣 023
2.3.4 從發(fā)射坐標(biāo)系到速度坐標(biāo)系的方向余弦陣 024
2.3.5 從速度坐標(biāo)系到箭體坐標(biāo)系的方向余弦陣 025
2.3.6 從發(fā)射慣性坐標(biāo)系到發(fā)射坐標(biāo)系的方向余弦陣 026
2.3.7 從地心坐標(biāo)系到測站坐標(biāo)系的方向余弦陣 029
2.3.8 歐拉角的聯(lián)系方程 030
練習(xí)題 031
第3章 天球坐標(biāo)系 032
3.1 天球與球面三角形 032
3.1.1 天球的概念及特性 032
3.1.2 球面三角形的定義及定理 033
3.1.3 簡單球面三角形的基本性質(zhì) 035
3.1.4 球面三角形的基本公式 035
3.1.5 兩種特殊的球面三角形 039
3.2 常用的天球坐標(biāo)系 041
3.2.1 天球坐標(biāo)系的構(gòu)成 041
3.2.2 天球上主要的圈和點 042
3.2.3 地平坐標(biāo)系 043
3.2.4 時角坐標(biāo)系 044
3.2.5 赤道坐標(biāo)系 045
3.2.6 黃道坐標(biāo)系 045
3.3 天球坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換 046
3.3.1 地平坐標(biāo)系與時角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換 047
3.3.2 赤道坐標(biāo)系與時角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換 048
3.3.3 黃道坐標(biāo)系與赤道坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換 048
3.4 天球坐標(biāo)系對應(yīng)的空間坐標(biāo)系 048
練習(xí)題 049
第4章 時間系統(tǒng) 050
4.1 時間計量系統(tǒng)的要求 050
4.2 天體的周日視運動 051
4.3 基于天體周日視運動的時間系統(tǒng) 052
4.3.1 恒星時 052
4.3.2 真太陽時和平太陽時 052
4.3.3 地方時、世界時和區(qū)時 056
4.4 軌道計算中常用的時間系統(tǒng)及其轉(zhuǎn)換關(guān)系 057
4.4.1 格林威治恒星時 058
4.4.2 世界時UT1 058
4.4.3 國際原子時TAI 058
4.4.4 協(xié)調(diào)世界時UTC 058
4.4.5 質(zhì)心動力學(xué)時TDB 059
4.4.6 地球動力學(xué)時TDT 059
4.4.7 GPS時間GPST 059
4.4.8 北斗時BDT 059
4.4.9 各時間系統(tǒng)的換算關(guān)系 059
4.5 恒星年、回歸年與儒略年 060
4.5.1 恒星年與回歸年 060
4.5.2 儒略年與公歷 060
4.5.3 儒略日 061
練習(xí)題 062
第5章 地球及其引力 063
5.1 地球的形狀與地面點坐標(biāo) 063
5.1.1 地球的形狀 063
5.1.2 地面點坐標(biāo) 064
5.2 地球的運動 067
5.3 引力位函數(shù) 069
5.3.1 引力位函數(shù)的概念 069
5.3.2 天體為均勻球殼時的引力位函數(shù) 070
5.3.3 天體為不規(guī)則球體時的引力位函數(shù) 071
5.3.4 地球引力位函數(shù) 076
5.4 引力 077
5.5 重力 080
練習(xí)題 082
第6章 推力、控制力與控制力矩 083
6.1 火箭發(fā)動機推力 083
6.1.1 火箭發(fā)動機的類型 083
6.1.2 發(fā)動機的推力 084
6.1.3 比沖 089
6.2 發(fā)動機的附加力矩 089
6.2.1 附加哥氏力矩 089
6.2.2 附加相對力矩 091
6.3 火箭姿態(tài)控制系統(tǒng) 093
6.3.1 火箭姿態(tài)角的測量 093
6.3.2 姿態(tài)控制方程 095
6.3.3 控制力和控制力矩 096
練習(xí)題 100
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第7章 空氣動力與空氣動力矩 101
7.1 地球大氣 101
7.1.1 大氣結(jié)構(gòu) 101
7.1.2 標(biāo)準(zhǔn)大氣 102
7.2 空氣動力 107
7.2.1 空氣動力的一般表示形式 107
7.2.2 空氣動力在不同坐標(biāo)系中的表示形式 107
7.2.3 氣動系數(shù) 108
7.3 空氣動力矩 111
7.3.1 穩(wěn)定力矩Mst 111
7.3.2 穩(wěn)定力矩與質(zhì)心和壓心的關(guān)系 112
7.3.3 阻尼力矩Md 113
練習(xí)題 114
第8章 飛行器的主動段運動 115
8.1 彈道分段 115
8.2 地心慣性坐標(biāo)中的動力學(xué)方程 117
8.2.1 質(zhì)心動力學(xué)方程 117
8.2.2 繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動的動力學(xué)方程 117
8.3 地面發(fā)射坐標(biāo)系中的空間彈道方程 118
8.3.1 地面發(fā)射坐標(biāo)系中的質(zhì)心動力學(xué)方程 118
8.3.2 箭體坐標(biāo)系中的繞質(zhì)心動力學(xué)方程 123
8.3.3 運動學(xué)方程 125
8.3.4 控制方程 126
8.3.5 聯(lián)系方程 126
8.3.6 附加方程 127
8.4 地面發(fā)射坐標(biāo)系中的空間彈道計算方程 128
8.4.1 假設(shè)條件 128
8.4.2 空間彈道計算方程 129
8.4.3 用視加速度表示的質(zhì)心動力學(xué)方程 130
8.4.4 彈道參數(shù)計算 131
8.5 速度坐標(biāo)系中的空間彈道計算方程 135
8.5.1 速度坐標(biāo)系中的質(zhì)心動力學(xué)方程 135
8.5.2 半速度坐標(biāo)系中的質(zhì)心動力學(xué)方程 136
8.5.3 速度坐標(biāo)系中的空間彈道方程 137
8.5.4 速度坐標(biāo)系中的空間彈道計算方程 137
8.6 主動段運動特性分析 140
8.6.1 用于方案論證階段的簡化縱向運動方程 140
8.6.2 切向運動特性分析 141
8.6.3 主動段轉(zhuǎn)彎過程 143
練習(xí)題 148
第9章 二體運動 149
9.1 N體問題及其初積分 149
9.1.1 N體問題的運動方程 149
9.1.2 N體問題的初積分 150
9.2 二體問題的一般解 152
9.2.1 二體問題的基本方程 152
9.2.2 二體問題的一般解 153
9.2.3 天體在軌道上的速度 155
9.2.4 二體系統(tǒng)的動能 157
9.2.5 有心力運動 157
9.3 二體運動的一般特性 158
9.3.1 速度圖 158
9.3.2 3種圓錐曲線軌道的特點 161
9.4 位置與時間之間的關(guān)系 163
9.4.1 圓軌道 163
9.4.2 橢圓軌道 164
9.4.3 拋物線軌道 169
9.4.4 雙曲線軌道 169
9.5 圓型限制性三體問題 170
9.5.1 限制性問題的提出 170
9.5.2 基本運動方程 171
9.5.3 平動點與暈軌道 173
9.5.4 雅克比積分與零速度面 175
練習(xí)題 178
第10章 飛行器自由段彈道特性 179
10.1 飛行器自由段彈道方程 179
10.2 關(guān)機點參數(shù)與彈道的關(guān)系 182
10.2.1 e, p與主動段關(guān)機點參數(shù)之間的關(guān)系 182
10.2.2 圓錐曲線形狀與主動段關(guān)機點參數(shù)之間的關(guān)系 184
10.2.3 橢圓的幾何參數(shù)與主動段關(guān)機點參數(shù)之間的關(guān)系 187
10.2.4 成為人造地球衛(wèi)星或?qū)椀臈l件 190
10.3 飛行時間的計算 191
10.3.1 主動段關(guān)機點參數(shù)與自由段運動參數(shù)之間的關(guān)系 192
10.3.2 主動段關(guān)機點參數(shù)與被動段飛行時間之間的關(guān)系 193
10.3.3 飛行時間偏差分析 196
10.4 射程計算與落點誤差 197
10.4.1 被動段射程的計算 198
10.4.2 自由段射程的計算 200
10.4.3 已知主動段關(guān)機點參數(shù)求最大被動段射程 201
10.4.4 已知被動段射程求最佳速度傾角和最小能量參數(shù) 203
10.4.5 落點偏差分析 205
練習(xí)題 207
第11章 飛行器的軌道運動及特性 208
11.1 軌道要素 208
11.2 軌道要素與位置速度的轉(zhuǎn)換關(guān)系 210
11.2.1 由軌道要素求位置速度 211
11.2.2 由位置速度求軌道要素 212
11.3 星下點軌跡 215
11.3.1 無旋地球上的星下點軌跡 215
11.3.2 旋轉(zhuǎn)地球上的星下點軌跡 217
11.3.3 考慮攝動影響時的星下點軌跡 220
11.4 衛(wèi)星軌道分類 221
11.4.1 按照軌道形狀分類 221
11.4.2 按照軌道傾角分類 221
11.4.3 按照軌道高度分類 222
11.5 常用軌道類型 223
11.5.1 回歸與準(zhǔn)回歸軌道 223
11.5.2 地球同步軌道與地球靜止軌道 224
11.5.3 太陽同步軌道 225
11.5.4 凍結(jié)軌道與閃電軌道 226
11.5.5 伴隨軌道 227
練習(xí)題 228
第12章 軌道攝動 229
12.1 攝動的定義 229
12.2 密切軌道與攝動方程 231
12.2.1 密切軌道 231
12.2.2 拉格朗日攝動方程 231
12.2.3 高斯攝動方程 232
12.3 地球非球形攝動 233
12.3.1 攝動模型 233
12.3.2 攝動影響分析 234
12.4 大氣阻力攝動 235
12.4.1 靜止大氣的攝動影響 236
12.4.2 旋轉(zhuǎn)大氣的攝動影響 237
12.5 三體引力攝動 239
12.6 太陽光壓攝動 241
練習(xí)題 242
第13章 軌道機動 243
13.1 軌道機動的含義 243
13.1.1 軌道機動的定義和作用 243
13.1.2 軌道機動系統(tǒng) 244
13.1.3 軌道機動的分類 244
13.2 軌道調(diào)整 245
13.2.1 小推力作用下軌道要素的變化 245
13.2.2 軌道周期的調(diào)整 246
13.2.3 半長軸和偏心率的調(diào)整 247
13.2.4 升交點赤經(jīng)和軌道傾角的調(diào)整 251
13.2.5 軌道要素調(diào)整的特殊點 252
13.3 軌道改變 252
13.3.1 共軌道面改變 253
13.3.2 軌道面改變 254
13.3.3 一般非共面軌道改變 258
13.4 軌道轉(zhuǎn)移 258
13.4.1 共面圓軌道的兩沖量最優(yōu)轉(zhuǎn)移 258
13.4.2 共面圓軌道的三沖量轉(zhuǎn)移 261
13.4.3 共面橢圓軌道之間的轉(zhuǎn)移 262
13.4.4 非共面圓軌道之間的轉(zhuǎn)移 264
13.4.5 調(diào)相機動 264
13.5 軌道攔截 267
13.5.1 最小能量攔截軌道 269
13.5.2 固定時間攔截軌道 271
練習(xí)題 272
第14章 飛行器的返回與再入 273
14.1 返回軌道 273
14.1.1 返回軌道的分段 273
14.1.2 返回軌道的類型 276
14.2 再入段運動 277
14.2.1 再入段的一般運動方程 277
14.2.2 簡化的再入段運動方程 282
14.2.3 彈道式軌道再入段運動 284
14.2.4 升力式軌道再入段運動 288
14.3 著陸段運動 293
14.3.1 著陸段運動方程 293
14.3.2 對返回著陸及回收區(qū)的一般要求 295
練習(xí)題 295
附錄A 常用參數(shù) 296
附錄B 常用術(shù)語英漢對照表 297
附錄C 坐標(biāo)系間的四元數(shù)表示法 300
C.1 四元數(shù)的定義 300
C.2 四元數(shù)的運算法則 300
C.3 四元數(shù)的主要性質(zhì) 302
C.4 用四元數(shù)旋轉(zhuǎn)變換表示空間定點旋轉(zhuǎn) 302
C.5 四元數(shù)變換表示坐標(biāo)變換 303
附錄D 開普勒方程的幾種求解方法 306
D.1 圖解法 306
D.2 疊代法 306
D.3 級數(shù)展開法 307
參考文獻(xiàn) 308
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