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天文动力学及天体力学探讨

时间:2022-12-14 17:35:03 公文范文 来源:网友投稿

【摘要】天文动力学及天体力学是当前非常火热的一个热点,随着我国的航天工程的进一步发展,我国已经进入航天强国的行列。在本文中,对于天体力学一些主要的热点,进行了相应的阐述。

【关键词】天文动力学天体力学

当今天体力学的热点问题,从理论和应用两个方面来看,涉及到太阳系动力学和宇航动力学相当多方面,例如:近地小行星的运动、起源与演化问题;航天测控的新手段,天基网与地基网对航天器的联合定轨;月球探测器与行星探测器的运动等等,下面将从轨道力学的角度,就这三个方面的主要问题进行分别介绍。

一、近地小行星的运动

近地小行星有许多特点,其主要特征是行星轨道的半长轴和地球的轨道半长轴长度类似,行星的近日点的近地球轨道,甚至在地球的轨道上。因此,他们可以与地球和金星靠近,是非常接近于地球的,对地球的安全产生影响,是一个潜在的危险对象。那么除此之外,现在特别注重国际合作,近年来搜索和监测近地天体运动的小物体,这种类型的研究,就关于轨道力学来说,主要有下面两个主题。

(1)近地小行星的会合问题与地球非常接近,甚至可以产生碰撞问题。这对地球的安全非常重要。如果小行星和各个行星的轨道是不变的,那么预测的交会时间和距离是容易的。但由于影响对方和其他一些因素,比如考虑小行星和行星之间的引力,轨道是不断变化的,没有固定的公式去对它们的运动进行计算。因此,确定行星轨道运动时间和距离变得很复杂,在可靠的交叉处,必须使用精确的力学模型和相应的算法【1】。此外,还涉及到行星精密轨道和月球等天体,这些都是独立的,如果要解决这些问题,就要运用高度非线性的常微分方程,其中涉及很多变量,包括求解常微分方程的问题。需要对好多变量进行计算、模拟。比如小行星和各大行星的各类快慢变量,在对这些问题的解决情况下,我们预报的教会结果才会与此后观察的结果相符合,这样的工作对我们在大行星和月球的星历计算有相当大的帮助。

(2)近地小行星的轨道演化,虽然不清楚这些小天体的起源。据发现,一些近地小行星演变的主要是带小行星慢慢演变出来的,这是由快速变量驱动共振引起的共振叠加的结果,使它穿过火星轨道进入近地空间,丰富天体力学共振的研究内容。

二、基于天基网与地基网对航天器的联合定轨

随着卫星轨道测量应用的日益广泛,相应的方法也得到了改进。局部控制网络的站点分布,与低轨道卫星的观测弧长的增加,从而达到提高定轨精度的目的,最好是用高轨道卫星(GPS卫星、地球同步轨道卫星)建立所谓的空间站网络(天基网)。中继卫星系统和GPS卫星系统大致相同,由地面站网络提供准确的跟踪,根据使用的用户确定,然后测量轨道误差(与卫星的运动的误差),将给用户一个卫星轨道误差的来源。因此,联合定规测量方法提高轨道轨道精度,还必须有卫星地面站的采样数据测量,即轨道联合天基网络和地面网络测量【2】。而地面站中的一个或多个是相对低轨道行星(相当于星测量数据)也是基于同样的原理。然而,在特殊情况下,如果地面站失去支持,以及如何进行卫星轨道卫星跟踪,这是航天测控方法的发展过程中需要进行解决的一个问题。这个问题不是不能观察的问题(几何轨道漂移)。如果近似方法是有效的,实现自主轨道确定,并满足精度要求,会具有相当大的实用价值参考。

三、月球探测与行星探测中的轨道力学

行星探测器的运动是与人造地球卫星的运动不一样的,兩者相对应的力学模型不单单是受测二体问题,其中涉及到了一个限制性的(n+1)体问题【3】,也就是说n》2,从另外一方面上讲,它与变轨、制导等方面的问题又有很大的关联关系。涉及到了没有动力影响的引力加速问题,还涉及到了飞行力学问题。在这之上,传统的天体力学与飞行力学结合形成天体力学的新的节点。在以后的航天工程发展之中,这个问题会越来越得到关注。

除此之外,探测器在接近行星附近时,会由于行星的引力而变轨,成为接近行星的卫星,着称之为行星轨道器,这种行星轨道器在绕着行星运动的轨迹是与人造地球卫星的轨道不一样的。比如,月球或者金星卫星的运动,虽然是一个面对受测二体问题,但是对此种卫星进行分析,这类卫星的轨道都有各自的特征,这些卫星的轨道寿命一般来说都比较短。

结语

总的来说,天体力学的许多问题还需要人们不断地去进行了解,天文动力学以及天体力学是以个相当复杂的问题,而且这些问题并不是一成不变的,随着时间的流失,行星以及卫星运动轨道是相应改变的,这就使得问题的复杂性进一步加深。

参考文献

[1]张文昭[1,2].STK卫星仿真软件在天体力学教学中的应用[J].实验技术与管理,2013,(2):118-121.

[2]Alain Chenciner.《天体力学新方法》漫谈[J].数学译林,2015,0(4):309-316.

[3]程进[1,2].程进均衡定理引理发天体力学发大量子场[J].科技风,2013,(19):22-22.

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