航天動力學

航天動力學的研究內容包括：航天器的質心運動，稱軌道運動；航天器相對於自身質心的運動，稱姿態運動；與航天器發射、航天器軌道機動有關的火箭的運動。

航天器的飛行過程一般可以分為三個階段：①發射段。航天器由運載火箭、航天飛機攜帶，從地面起飛達到預定的高度和速度的階段。②運行軌道段。航天器主要在萬有引力等自然界外力作用下運動的階段。有時為了保持預定的軌道，需要施加一定的推力；有時作軌道機動則需要對航天器施加比較大的推力。③降落軌道段。一些航天器需要返回地球表面或降落在目標天體的表面。這時航天器在火箭推力、氣動阻力（或升力）等作用下，離開運行軌道向天體表面降落。在以上各階段中，航天器運動都包含軌道運動和姿態運動兩個部分。

按研究內容可分為航天器動力學和火箭動力學。航天器動力學又分為航天器軌道動力學、航天器姿態動力學和航天器再入動力學。研究航天器質心運動的學科。經典天體力學研究自然界天體的運動，在研究大行星、月球運動的基礎上，總結出軌道攝動理論。航天器軌道動力學是在這個基礎上發展起來的。

20世紀50年代末在一些航天器相繼發射成功後，軌道動力學發展成為與工程實踐密切聯繫的應用學科，其研究內容也超出了傳統的天體力學範圍。主要包括軌道理論研究和軌道應用研究。

①軌道理論研究。目的在於精確地求出航天器任意時刻的位置和速度。軌道理論以天體力學中的攝動理論為基礎。將航天器軌道分為兩部分：一部分是簡化理論軌道；另一部分是實際軌道和簡化理論軌道的差，稱為軌道攝動。求解軌道攝動的方法有近似解析法和數值積分法。軌道理論研究是軌道應用研究的基礎。

②軌道應用研究。包括軌道設計、軌道確定、攝動因素研究等。航天器與自然天體的區別是其軌道可以人為地選擇和控制，業已設計成功的實用軌道主要有地球靜止軌道、迴歸軌道、太陽同步軌道、極軌道、凍結軌道等。根據測量數據確定航天器軌道的過程稱為軌道確定。與自然天體相比，航天器的運動角速度大，且與地球站保持無線電聯繫。在以自然天體為研究對象的古典軌道確定方法基礎上，逐步形成了更實用的方法，滿足了精度高、實時性強的要求。精確測得的軌道又為研究攝動因素提供信息，用以研究天體引力場、天體形狀、大氣密度等。研究航天器繞其質心運動或航天器各部分之間的相對運動的學科。求出任意時刻的航天器姿態是姿態動力學的基本任務。其具體過程是：建立動力學模型，分析作用力和力矩，建立和求解運動方程。根據航天器的任務，航天器在運行過程中要求保持一定的姿態或改變姿態。為此，要尋求簡單、經濟的穩定方式和機動方法。姿態穩定和姿態機動方法可根據消耗能源的情況分為：①被動式。不需要供給能源，利用自然環境和航天器運動的特性，如重力梯度穩定、自旋穩定等。

②主動式。需要消耗能源，如採用推力系統的三軸穩定、以飛輪為主的三軸穩定。

③半主動半被動式。是前兩種方式的合理組合，適時地施加控制力矩用以克服自然界的干擾，實現姿態長期穩定。研究航天器進入行星大氣層或再入地球大氣層時的質心運動和姿態運動的學科。航天器再入動力學的基礎是經典力學、變質量力學、空氣動力學、控制理論。其任務是求出任意時刻航天器的質心運動參數和姿態運動參數。求解方法主要是數值積分法。設計的目標是尋求一條在着陸點精度、過載峯值、氣動力加熱等方面均滿足設計要求的再入（或進入）軌道。研究運載器、運輸器質心運動和姿態運動的學科。火箭動力學的基礎是經典力學、變質量力學、空氣動力學、控制理論。任務是求出任意時刻火箭的運動狀態，分析火箭姿態運動的穩定性。

研究內容包括：①建立和求解火箭運動方程。包括軌道方程和姿態方程。求解方法主要是數值積分法。②火箭軌道優化。能完成使命的火箭軌道往往有許多條，在滿足航區安全和地面跟蹤測量的前提下，選出一條最佳軌道。所謂最佳，有時指運載量最大，有時指精度最高，有時指飛行時間最短等。③姿態穩定性分析。在外界干擾力矩作用下並考慮箭體彈性、液體晃動等情況下分析火箭飛行的穩定性。 ^[1] 

軌道測定是利用觀測數據測定航天器軌道的過程。工作內容包括初軌測定和軌道改進。測定出的軌道為軌道控制、軌道修正、目標定位、觀測預報和其他學科的研究提供基本參數。軌道測定的方法來源於天體力學。早期天體力學中，軌道測定的對象是自然天體，已形成了完整的測定方法。這些方法原則上都適用於航天器的軌道測定。但是，與自然天體相比，航天器運動角速度大，與地面站保持有無線電聯繫，適時性往往很強，因而逐步形成了一些獨特的方法。軌道測定的基本理論包括軌道攝動理論、軌道誤差估算理論和高維線性方程組的計算方法等。 ^[2]