第1章 深空飛行及其軌道設計 1.1 深空飛行的意義 1.1.1 月球探測 1.1.2 火星探測 1.1.3 小行星探測 1.1.4 空間特殊點的利用 1.2 太陽繫運動、深空飛行軌道及其特點 l.2.1 太陽繫內的行星運動 1.2.2 深空飛行軌道及其特點 1.3 典型深空飛行軌道案例 1.3.1 典型的月球探測軌道 1.3.2 典型的行星探測軌道 1.3.3 典型的特殊點探測軌道 1.4 深空飛行軌道設計 1.4.1 時空繫統 1.4.2 任務約束 1.4.3 路徑規劃 1.4.4 數學物理方法 1.4.5 本書看點 參考文獻第2章 行星際軌道機動 2.1 二體問題簡述 2.2 Lambert問題 2.2.1 Lambert問題描述 2.2.2 Lambert問題的求解 2.3 Pork-Chop圖 2.3.1 Pork-Chop圖繪制方法 2.3.2 相合周期 2.3.3 軌道傾角和偏心率對發射窗口的影響 參考文獻第3章 借力飛行 3.1 N體問題 3.2 引力影響球確定及圓錐曲線拼接 3.2.1 引力相等影響球 3.2.2 常用的影響球 3.2.3 希爾球 3.2.4 仿真數據 3.3 借力飛行理論 3.3.1 無推力的引力輔助技術 3.3.2 有推力的引力輔助技術 3.4 借力飛行軌道優化設計 3.4.1 使用Tisserand圖確定引力輔助序列 3.4.2 使用Pork-Chop圖尋找粗略的引力輔助時間窗口 3.4.3 使用SNOPT尋找精確的引力輔助時間窗口 3.5 引力輔助技術的其他應用 3.5.1 共振軌道 3.5.2 通過引力輔助改變軌道傾角 3.5.3 通過引力輔助降低近地點距 3.5.4 深空機動技術 3.5.5 仿真算例一地木轉移軌道 參考文獻第4章 行星際軌道修正 4.1 常用坐標繫定義 4.1.1 EME2000慣性坐標繫 4.1.2 以火星為中心的非慣性坐標繫 4.1.3 以火星為中心的慣性坐標繫 4.1.4 慣性繫、非慣性繫和本體繫之間的聯繫 4.2 B-plane概念 4.2.1 期望打靶點的確定 4.2.2 真實打靶點的確定 4.3 打靶法 4.4 從近地圓軌道出發 4.4.1 最優入軌條件及分析 4.4.2 利用優化的方法求解入軌問題 4.4.3 仿真算例 4.5 軌道修正機動算例 4.6 進入目標行星任務軌道 4.6.1 坐標繫的轉換 4.6.2 期望打靶點的確定 4.6.3 仿真算例 參考文獻第5章 周期軌道與流形計算 5.1 圓型限制性三體問題簡介 5.1.1 動力學方程 5.1.2 平動點及其穩定性 5.1.3 能量曲面與運動區域 5.2 共線型平動點附近的運動 5.2.1 相對共線型平動點運動的基本方程 5.2.2 共線型平動點附近運動的線性化 5.2.3 考慮高次項影響的共線型平動點附近運動 5.3 Lindstcdt-Poincare方法 5.4 Richardson三階近似解 5.5 Halo軌道的計算 5.5.1 微分修正法簡介 5.5.2 Halo軌道近似初值的微分修正 5.6 Lissajous軌道的計算 5.6.1 三階近似解 5.6.2 Lissajous軌道的微分修正 5.7 平動點附近流形計算方法 5.7.1 相關概念和定理 5.7.2 流形的計算 5.8 流形的性質 5.8.1 共線型平動點附近運動線性化 5.8.2 線性化的相空間 5.8.3 域R申的流 5.8.4 非線性繫統中的流及McGehee表示法 參考文獻第6章 流形拼接 6.1 流形拼接法簡介 6.2 四體問題的簡化模型 6.2.1 同心圓模型 6.2.2 雙圓模型 6.3 日—地—月—航天器限制性四體繫統模型分析 6.3.1 地—月旋轉坐標繫下航天器的動力學方程 6.3.2 日—地旋轉坐標繫下航天器的動力學方程 6.4 坐標繫轉換 6.5 二維流形拼接 6.6 三維流形拼接 6.6.1 龐加萊截面的選取 6.6.2 周期軌道離散化 6.6.3 龐加萊截面上的流形投影 6.6.4 拼接點的選取 6.6.5 仿真算例 參考文獻第7章 修正機動及站位保持 7.1 Halo軌道修正機動 7.2 軌道修正機動算例 7.3 Target Point方法與Floquet方法站位保持策略 7.3.1 目標點追蹤法 7.3.2 Floquet模方法 7.3.3 控制模型及仿真算例 參考文獻第8章 小推力低能轉移軌道 8.1 直接法 8.1.1 Hermitc-Simpson方法 8.1.2 Gauss-Lobatto方法 8.1.3 偽譜方法 8.2 Hermite-Simpson方法最優控制問題實例 8.2.1 增加Jacobian和Hessian矩陣 8.2.2 任意階的Gauss-Lobatto方法 8.3 求解二體小推力軌道轉移問題 8.3.1 時間最優和燃料最優問題 8.3.2 網格優化方法 8.4 求解三體小推力軌道轉移問題 8.4.1 從GTO到L1的Halo軌道 8.4.2 從GTO到L2的Halo軌道 參考文獻第9章 嫦娥任務的軌道設計與控制 9.1 平動點任務軌道設計 9.1.1 約束條件 9.1.2 初步軌道設計 9.1.3 測控條件分析 9.2 月球逃逸軌道控制 9.2.1 數學模型 9.2.2 控制策略 9.3 平動點任務中途修正控制 9.3.1 數學模型 9.3.2 控制策略 9.4 Lissajous軌道維持 9.4.1 控制時機分析 9.4.2 測控實施方案 9.5 小行星任務軌道設計 9.5.1 小行星分布 9.5.2 交會目標選擇 9.5.3 轉移軌道設計 9.5.4 數值實例 9.5.5 實際飛行任務參考文獻

深空飛行或星際航行是指航天器脫離地球環繞軌道飛往月球、太陽繫內其他星體（包括小行星）或太陽繫外更遠星球的過程。目前此類飛行已涉足月球、某些行星（如火星）和太陽繫邊沿。深空飛行的目的是認識地球以外的存在（深空探測）、探索其利用價值並加以利用（獲取能源、礦產等），甚至在其上建立定居點。在物理（力學）的範疇，深空飛行涉及多體引力場、多效應（除引力外還有電磁力、輻射力、宇宙流、微流星流、等離子效應、陀螺效應、相對論效應等）、多尺度（宇觀模型、愛因斯坦效應等）等問題；在數學層面涉及圓錐曲線及擬合、非線性問題、混沌問題、多尺度/分層變換等。
自人類文明之始，人們就從未停止探索的腳步。從陸地到海洋，從海洋到天空，如今已經將目標對準了廣闊無垠的宇宙。自從美國和蘇聯1958年向月球發射探月火箭開始，世界航天大國都先後開展了多種類型的深空飛行活動。21世紀深空飛行的重心將會圍繞月球、火星以及小行星探測和利用這三大目標展開。對未知世界的探索是人類文明和科學技術進步發展的永恆動力，對茫茫宇宙的探測則是人類認識宇宙、探索宇宙起源、拓展生存空間的必由之路。
在航天技術的發展初期，人們認為要到達比火星更遠的星球是不可能的，這是因為所需的推力遠遠超過了人類當時火箭的能力。所以在很長的一段時間內，深空探測被局限於地球附近很小的區域，直到引力輔助技術的成功應用，人類纔真正飛向深空。1974年，美國國家航空航天局（NASA）成功發射的水星10號深空探測器，是人類歷史上第一個使用引力輔助技術的飛行器。在此之後，絕大多數深空任務都采用了引力輔助技術來提升飛行器能量或者降低最終的行星捕獲能量，從而完成既定任務。
早期的軌道動力學和計算研究主要研究對像為人造地球衛星或航天器在主天體引力作用下的攝動運動。在這種背景下，軌道動力學和計算研究借鋻了天體力學的許多理論和方法，其中，借助攝動理論和方法已經建立了相對完善的人造衛星軌道理論，這種理論也是深空飛行的理論基礎。深空飛行軌道計算要比人造衛星軌道更復雜，涉及正確認識和巧妙地利用深空中的多引力環境，例如三體問題的平動點和不變流形等。
深空飛行有著極其重要的應用前景，而軌道設計是深空飛行的第一步。深空飛行軌道的分析與設計是以經典軌道動力學模型為基礎發展出的具有一繫列特征的模型和方法，其最顯著的特點是將控制與優化理論應用其中，為軌道動力學的研究注入了新的內涵，也成為近十餘年來的研究熱點。基於這種趨勢，作者團隊參考國內外同行的相關資料，對深空飛行軌道設計進行了繫統的梳理，並結合我國嫦娥工程中開展月球及深空飛行的工程實踐，深入研究了實際工程約束條件下的深空飛行軌道設計與控制問題，近年來取得了多項研究成果，現將相關內容整理成此書，供讀者參考。
全書分為9章。第1章介紹深空飛行及其軌道設計的意義及特點；第2章~第4章以兩體問題為基礎，介紹星際軌道機動、借力飛行、行星際軌道修正的理論和方法；第5章介紹三體問題，包括三體問題的動力學建模方法、三體問題的平動點、周期軌道與擬周期軌道、流形的性質與計算等；第6章介紹流形拼接理論與方法，它是深空轉移軌道、天地節能運輸軌道設計的基礎；第7章介紹深空軌道修正機動及站位保持；第8章介紹小推力低能轉移軌道控制與應用問題；最後結合我國嫦娥工程深度剖析了深空飛行任務軌道設計與控制問題。師鵬、張晨、石昊、齊彧、劉磊參加了部分章節的編寫，在此表示感謝。另外還要感謝航天飛行動力學重點實驗室和中國宇航出版社對本書的寫作和出版給予的支持。

作者
2013年9月