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出版者:国防科技大学

作者:吴京

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:2005-8

价格:36.0

装帧:平装

isbn号码:9787810248433

丛书系列:

图书标签:

• 信号与系统
• 电路分析
• 线性系统
• 傅里叶变换
• 拉普拉斯变换
• Z变换
• 系统分析
• 通信原理
• 控制系统
• 数字信号处理

空间探索的边界：宇航工程与轨道动力学 图书简介 本书旨在为读者构建一个全面而深入的宇航工程与轨道动力学知识体系，重点聚焦于人类进入和探索广袤太空所必需的关键理论、技术和实际应用。我们超越了对基础物理概念的简单回顾，而是将重点放在如何将这些理论应用于构建可靠、高效的航天器和精确的轨道控制上。 第一部分：航天任务的基石——轨道力学与天体力学 本部分是理解所有航天任务的物理基础。我们首先从开普勒定律的严谨推导开始，展示如何将牛顿的万有引力定律转化为实际的轨道参数描述。重点将放在轨道根数（Orbital Elements）的详细解析上，包括真近点角、幅角、升交点赤经等六个关键参数的物理意义及其随时间的变化规律。 随后，我们将深入探讨摄动力（Perturbations）对理想开普勒轨道的修正。这部分内容涵盖了： 1. 地球非球形引力场的影响： 详细分析 $J_2$ 效应如何导致近地点和升交点的漂移，并介绍如何利用拉格朗日中值定理和数值积分方法来精确预测这些长期变化。 2. 三体和多体问题： 虽然精确求解困难，但我们会侧重于处理限制性三体问题（如地月系统），这对于深空探测器的轨迹设计至关重要。 3. 太阳辐射压和大气阻力： 针对低地球轨道（LEO）航天器，提供精确的大气密度模型（如 NRLMSISE-00 模型）以及计算辐射压影响的几何学方法。 最终，本部分将构建一个强大的轨道传播器（Orbit Propagator）的概念框架，使读者能够从一个初始状态向量精确预测航天器在未来任一时刻的位置和速度。 第二部分：航天器设计与推进系统 本部分将理论转化为工程实现。我们详细剖析了航天器的核心组成部分——推进系统。 化学推进系统： 我们从热力学和化学动力学角度出发，深入分析了液氧/煤油、液氢/液氧等主流推进剂组合的性能指标，重点讲解了比冲（Specific Impulse, $I_{sp}$）的物理内涵及其与喷流速度的关系。同时，对火箭发动机的燃烧室设计、喷管膨胀理论（如等熵流和最优膨胀比）进行了详尽的分析，并探讨了推力矢量控制（TVC）的实现机制。 新型与非传统推进： 书中专门辟出章节讨论未来太空探索的关键技术，包括： 1. 电推进系统： 详细介绍霍尔效应推力器和离子推进器的结构、工作原理及优缺点。重点分析了如何通过计算电子和离子束的电磁场分布来优化推力效率。 2. 核热推进（NTP）和核电推进（NEP）： 对其潜在的能量密度优势和面临的工程挑战进行了客观评估。 航天器姿态动力学与控制（ADCS）： 姿态控制是确保航天器正确指向目标的关键。本章内容包括： 刚体动力学基础： 欧拉方程、角动量定理以及惯性矩阵的计算。 姿态描述： 深入对比四元数（Quaternions）和欧拉角在避免万向节锁（Gimbal Lock）方面的优势，并介绍如何利用四元数进行高效的姿态积分。 执行器与传感器： 详细阐述反作用轮（Reaction Wheels）、磁力矩器（Magnetorquers）的工作原理，以及如何利用太阳敏感器、陀螺仪和星敏感器获取精确的姿态信息。 第三部分：轨道转移与交会对接技术 实现星际旅行或轨道维护的核心在于高效的轨道转移和精确的交会对接。 转移轨道设计： 我们从经典的霍曼转移（Hohmann Transfer）开始，分析其在效率和时间上的权衡。随后，引入更复杂的转移方案，如双椭圆转移和低能转移（Low-Energy Transfers, LETs），特别是涉及拉格朗日点的“引力助推”效应。本书强调如何利用庞加莱截面来可视化和分析混沌区域附近的轨道。 近邻空间操作（Rendezvous and Proximity Operations）： 这是对接和在轨服务的前提。本部分的核心是丘陵方程（Clohessy-Wiltshire Equations, C-W），它描述了在相对坐标系下航天器之间的相对运动。我们将详细讲解如何利用 C-W 方程设计零燃料或低燃料的相对轨迹，并介绍卡尔曼滤波（Kalman Filtering）在融合不同传感器数据以精确估计相对状态向量中的应用。 第四部分：深空探测与行星际导航 本书的最后部分将视野投向太阳系深处。 行星际轨迹规划： 我们探讨了如何利用重力辅助（Gravity Assist）——“弹弓效应”——来极大地降低深空任务的燃料需求。书中包含了如何计算最佳遭遇角（Encounter Angle）和速度增量（Delta-V）的实用方法。 导航、制导与控制（GNC）： 在没有地面站持续修正的深空任务中，自主导航至关重要。我们将深入研究： 1. 行星定位： 利用星体跟踪和地标识别进行自主定位。 2. 导航滤波： 介绍扩展卡尔曼滤波（EKF）和无迹卡尔曼滤波（UKF）在处理非线性系统（如行星际轨道）状态估计中的优势。 3. 制导策略： 探讨如何从当前位置实时计算出最优的推力向量指令，以确保航天器能按照预定的飞行路径精确到达目标行星或彗星。 本书通过大量的数学推导、工程案例分析和对前沿技术的探讨，为有志于从事航天研究、轨道设计或卫星应用的专业人士提供了一本扎实、前沿的工具书。它要求读者具备坚实的微积分和线性代数基础，并致力于将抽象的物理定律转化为可操作的工程解决方案。

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我将这本书与我大学时期使用的另一本经典教材进行了对比，发现本书在处理“时域与频域”的相互转化关系时，采用了一种更为统一和系统化的视角。旧教材往往将时域分析和频域分析视为两个相对独立的模块，需要读者自己去构建联系。然而，这本书从一开始就将傅里叶变换等工具定位为连接这两个世界的“桥梁”，并在后续的章节中，不断地通过这种桥梁来深化对系统特性的理解。它不是简单地罗列公式，而是深入探讨了“为什么”在某些特定场景下，频域的描述会比时域的描述更加直观和有效。这种全局观的培养，对于未来从事更高级的信号处理或控制理论研究至关重要。它培养的不仅是解题能力，更是一种结构化的、跨域的思维模式，让人在面对新型问题时，能够迅速找到最合适的分析维度。

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我是在一个朋友的强烈推荐下入手这本的，主要是听说它在理论深度和工程应用之间找到了一个近乎完美的平衡点。初读之下，确实感受到了作者深厚的学术功底，对基本原理的阐述逻辑严密，层层递进，绝不含糊其辞。特别是关于某些核心概念的引入，作者似乎并不急于抛出公式，而是先从现象入手，用生动的比喻和生活中的实例进行铺垫，这对于初学者建立直观认识至关重要。例如，对于某个关键变换的解释，它没有直接跳转到复杂的数学推导，而是先描绘了其在信号处理流程中的“角色定位”和“工作机制”，这种叙事方式极大地降低了理解的陡峭度。读完前几章，我感觉自己对这门学科的“骨架”有了清晰的认知，不再是被孤立的知识点所困扰。这本书的价值在于，它不仅仅是知识的搬运工，更是一位耐心的向导，引导读者真正去理解“为什么”和“如何做”。

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这本书的习题设计实在是太“狡猾”了，我得承认，它成功地把我从那种只会套公式的机械记忆中解救了出来。与其他教材侧重于大量重复计算的练习不同，这里的习题更像是精心设置的“逻辑谜题”。它们很少有那种标准化的、一眼就能看出解题路径的题目，反而常常需要你跳出固有的思维框架，将分散在不同章节的知识点巧妙地融合起来。有些题目甚至需要你对定义进行重新审视和批判性思考，才能找到突破口。我记得有道关于系统响应的题，第一次尝试完全失败，直到我回过头去仔细重读了关于系统稳定性的那一个小节，才猛然醒悟，原来关键在于对边界条件的理解。这种“顿悟”的体验，远比机械地算出正确答案更有成就感，也更持久地固化了知识。它迫使你真正去掌握知识的精髓，而不是仅仅停留在表面的操作层面。

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这本书的作者在行文风格上展现出一种罕见的克制与幽默感并存的特质。学术著作往往容易陷入枯燥的陈述，但在这本书里，偶尔会出现一些非常精妙的注释或者旁白，像是作者在低声耳语，分享一些“圈内人士”才懂的经验教训或者小小的“吐槽”。比如在解释某个容易混淆的数学符号时，作者可能会用一句俏皮话来提醒读者注意区分，瞬间就能缓解掉长时间学习带来的紧张感。这种人性化的处理，让整本书的阅读体验变得轻松愉快起来，仿佛不是在啃一本硬邦邦的教科书，而是在听一位经验丰富的前辈娓娓道来。这种微妙的情感连接，让读者在面对那些看似不可逾越的难关时，不至于产生强烈的挫败感，反而能保持一种积极探索的心态。这种对阅读“情绪管理”的关注，是很多技术书籍所缺失的。

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这本书的印刷质量着实令人眼前一亮，纸张的质感厚实而细腻，拿在手里有一种沉甸甸的踏实感。装帧设计也颇具匠心，封面采用了低饱和度的莫兰迪色系，搭配简洁的字体排版，在众多教材中显得格外清雅脱俗，让人忍不住想反复摩挲。内页的排版布局非常考究，字号大小适中，行间距处理得恰到好处，即便是长时间阅读也不会感到视觉疲劳。更值得称赞的是，书中涉及的插图和图表，线条清晰锐利，色彩过渡自然，许多复杂的概念通过这些精美的视觉辅助得以瞬间清晰化。翻阅过程中，几乎没有遇到油墨蹭到手上的尴尬情况，这在专业技术书籍中是相当难得的。这种对细节的极致追求，无疑极大地提升了阅读体验，让人感觉这不仅仅是一本工具书，更像是一件精心打磨的艺术品。虽然内容本身可能需要投入大量精力去理解，但如此赏心悦目的载体，无疑是学习路上的一个巨大加分项，让人愿意更主动、更持久地与之相处。

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