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本书是深空探测轨道力学领域的基础论著作，书中内容是作者30多年来在该领域的教学和多项研究工作成果的总结。主要针对深空探测器（即太阳系的人造小天体）的质心运动，阐述轨道力学的基本理论及其在航天领域各相关工程中的应用。全书共10章，包括深空探测轨道力学的基本问题：限制性三体问题，特别是圆型限制性三体问题的动力学特征及其在各特定航天任务中的应用；深空探测（特别是月球、火星和小行星探测）器的发射轨道，转移轨道及其控制等关键问题。

目    录
第1章  深空探测器运动的力学环境与数学模型	1
1.1  太阳系小天体运动对应的限制性问题	1
1.2  限制性问题的分类及其相应的力学模型	2
1.3  深空探测器运动的基本数学模型	4
参考文献	10
第2章  参考系与太阳系主要天体历表	11
2.1  时间系统 	12
2.2  空间坐标系统	16
2.3  各大天体坐标系之间的联系	22
2.4  太阳系主要天体的历表	23
参考文献	28
第3章  限制性三体问题的基本方程与Jacobi积分	29
3.1  坐标系的选择与小天体的运动方程	29
3.2  圆型限制性三体问题的Jacobi积分与解的存在性	36
3.3  椭圆型限制性三体问题	40
3.4  圆型限制性（2+2）体问题	47
3.5  受摄圆型限制性三体问题的运动方程	48
参考文献	53
第4章  圆型限制性三体问题的平动解与周期解	55
4.1  圆型限制性三体问题的平动解	55
4.2  Jacobi常数及其5个临界值	58
4.3  零速度面与运动可能区域	59
4.4  椭圆型限制性三体问题的特解	65
4.5  圆型限制性（2+2）体问题的平动解	66
4.6  圆型限制性三体问题的周期解	68
参考文献	73
第5章  圆型限制性三体问题平动解的稳定性概况	74
5.1  各种稳定性的提法	74
5.2  平动解的稳定性概况	81
5.3  共线平动点附近的运动稳定性问题	85
5.4  三角平动点附近的运动稳定性问题	89
5.5  航天器的编队飞行问题	100
参考文献	105
第6章  共线平动点的动力学特征及其应用	106
6.1  共线平动点附近的周期和拟周期运动	106
6.2  共线平动点附近运动的不变流形	120
6.3  实际力模型下的拟周期运动	127
6.4  共线平动点特征在深空探测中的应用	134
参考文献	148
第7章  三角平动点的动力学特征及其应用	150
7.1  三角平动点稳定性的研究状况	150
7.2  三角平动点附近的周期轨道族	160
7.3  实际力模型下的拟周期轨道	169
7.4  三角平动点特征在深空探测中的应用	175
参考文献	192
第8章  月球探测的轨道问题	195
8.1  发射月球探测器的基本依据与自由返回轨道	195
8.2  地—月转移轨道及其轨道的几何特征	206
8.3  月—地转移轨道及其轨道的几何特征	219
8.4  发射月球探测器各类转移轨道的比较	230
参考文献	240
第9章  深空探测的轨道问题	242
9.1  朗伯方程	242
9.2  发射火星探测器的转移轨道	250
9.3  火星探测器发射的借力加速机制	264
9.4  其他大行星探测的轨道问题	271
9.5  深空探测中其他有关的轨道问题	275
参考文献	285
第10章  小行星探测的轨道问题	287
10.1  小行星简介	287
10.2  小行星的引力场模型	293
10.3  小行星探测的伴飞形式	309
10.4  小行星探测的环绕型轨道	313
参考文献	316
附    录	319
附录A  天文常数	319
附录B  IAU2000天体定向模型	321
参考文献	324

总    序
本套著作丛书将系统地总结天文与航天领域关于航天器轨道力学的理论、关键技术创新和工程应用等方面的研究成果，并以此作为凝聚人才、打造尖端科研人才和开展航天科技自主创新研究的重要知识平台。
全套著作包含航天工程事业发展中需要的轨道力学所涉及的各个方面，包括精确的天文参考系，各类航天器的轨道运行理论、计算方法，工程应用中的轨道设计、测量、跟踪与控制，以及科学应用等。核心部分是轨道力学理论与计算方法，其理论体系完备，方法实用，与工程实践联系紧密，著作中的主要理论与方法在我国多项航天任务中已得到了成功的应用。撰写组成员包括从事与航天工程有密切联系的教学和理论研究专家、多年来活跃在航天工程第一线的技术专家，既保证了这套著作的严密理论体系，又能满足我国航天事业发展的实际需求，为我国当前和未来的重大航天工程实施提供理论和技术支撑。
本套著作除总结了作者自20世纪50年代末以来多年的研究成果外，还涵盖了作者在南京大学、上海天文台、相关高校和航天工程等单位讲课所撰写的10多本教材的相关内容，全套著作共有以下四个分册：
（1）参考坐标系及航天应用。
（2）卫星轨道理论与应用。
（3）深空探测轨道理论与应用。
（4）航天器定轨理论与应用。
这是一套体系严密，同时具有基础性和实用性，符合我国航天工程实践的专著。
考虑到四个分册编写内容之间的联系和差别，以及便于读者阅读，在四个分册中对某些问题进行了必要的重复阐述，同一内容也会有不同的表述等，但仍保持了全套丛书体系的完整性。
 
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前    言
随着航天技术的发展和各种需求，从20世纪50年代世界上第一颗人造地球卫星上天以来，各种航天器相继升空，为了实现人们对太阳系及宇宙空间的深入了解，深空探测领域的各种航天活动也随之展开。继20世纪60年代末美国实现载人登月后，航天研究又逐渐向深空发展，参与深空探测的国家和地区也越来越多，如美国、俄罗斯、欧空局、日本等。我国在深空探测领域起步比西方国家晚了近50年，但随着2007年“嫦娥”探月一期工程的圆满完成，深空探测计划也在稳步推进。
为了适应我国深空探测事业发展的需求，相应的深空探测器轨道力学的研究工作也应加快步伐，尽快地追踪国际上的研究水平，为此，我们将30年来在该领域的研究成果进行整理，并融入了作者在教学工作中的经验与总结撰写成本专著。
尽管国内外航天界对“深空”的含义有不同的见解，但就太阳系中探测器在运行过程中的受力状况而言，不外乎有两类力学模型：一是只有一个主要力源的受摄二体问题；二是有两个主要力源的限制性三体问题。通常所说的卫星（如大行星的自然物象，人造地球卫星、月球卫星、火星卫星等）运动，就属于前一类，而其他探测器的运动（如月球探测器、火星探测器，小行星探测器等转移轨道段的运行轨道）则属于后一类。在此前提下，不妨也将有争议的月球探测列入深空探测范畴，这并不涉及对“深空”如何准确定义的问题。关于第一类以受摄二体问题为主线展开论述的卫星运动问题，已作为全套专著的第二本出版，即“卫星轨道理论与应用”。本书是作为全套专著的第三本，以限制性三体问题的研究成果及其在航天领域的应用展开论述，书名为“深空探测轨道理论与应用”。
本书具体内容的安排分为如下四个部分。
第1章至第5章系统阐明深空探测器在各运行阶段所涉及的轨道力学基础，包括处理探测器运行的数学模型和已获得的基本结论，为进一步深入研究深空探测器运行轨道的特征奠定理论基础。
第6章和第7章介绍深空探测中的一个热点问题——平动点的动力学特征及其附近周期和拟周期轨道的存在性和构造方法，与共线平动点有关的不变流形和“节能通道”的动力学机制，以及平动点所具备的动力学特征在深空探测中的应用前景。
第8章和第9章是论述我国正在和将要开展的月球、火星等探测中的轨道力学问题。
第10章是小行星探测的轨道问题。
书中公式和符号较多，同一符号在不同公式中可能有不同含义，但为了需要，同一量在不同公式中可能又用不同的符号表示。然而，对于最常用的量，将尽量保持用同一符号表示，特别注意与本书涉及的全套专著的另三本书的统一表达形式，而且尽可能采用国际学术界在本学科领域中习惯采用的符号，便于读者查阅有关原始文献。
本书是根据南京大学天文系30多年来开设的研究生专业课程的自编教材（南京大学研究生重点建设教材《轨道力学》），2012年出版的“深空探测器轨道力学”和多项研究工作的积累而写成。作为本书的另一位作者——我的学生侯锡云博士，近年来在这一领域（特别是限制性三体问题的平动点动力学方面）做出了很出色的工作，包括他的优秀博士论文（平动点的动力学特征及其应用，获教育部、国务院学位委员会批准的“2011年全国优秀博士学位论文”奖），深得国内外同行的重视，并参与了第6至第10章的撰写。
这里还要特别感谢上海天文台的叶叔华院士，是她于21世纪初和2004年先后引荐我们参与了国家有关深空探测工程的先期论证工作，促进了本研究团队在深空探测轨道力学领域研究工作的深入，为本专著的撰写起了极其重要的推动作用。

刘  林

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