在二十世纪第一次数学家大会上,希尔伯特提出了“完美数学问题”准则,随后他举了两个例子,一个是费马猜想,另一个就是N体问题。近现代研究最多的就是三体问题。
三体问题就是三个天体在万有引力作用下的运动问题。三个天体的质量、初始位置和初始速度都是未知的,求解难度很大,所以一般研究的都是有条件束缚下的限制性三体问题,而平面圆型限制性三体问题(PCR3BP)是其中最为简单的一种模型。
PCR3BP问题再近现代的月球火箭理论中的到了应用,其中一种就是击中月球轨道。先来看一个简单的发射问题:
月球背面有一空间站,现要利用一从地球发射的无动力火箭对其进行补给,求:发射速度和角度。
这是一个经典的PCR3BP问题。其中,火箭可以视为质量无限小的质点,其对地球和月球作用力忽略不计,在整个系统中,太阳对地、月、火箭的影响可以忽略,那么仅需要考虑两个运动:月球
由于是无动力火箭,所以我们选取高度为600km的地月转移轨道为出发点,选取出发点与地心连线和x负向的夹角为θ,在平面内延顺时针方向发射火箭,同时月球从(L,0)处开始公转,发射速度大小 为v0,月球速度大小vm,并取最终位置的误差角为发射状态是否合理的判断依据(如图-1)。
围绕地球的公转和火箭在地球和月球引力下的运动轨迹。
图-1
在MATLAB中模拟时,向量以坐标的形式表示,取积分时间 dt=0.05,通过对不同的初始位置(用角度θ表示)和发射速度下,火箭和月球最近距离的计算可以得到一系列数值解(θ,v )。由于我们设备计算能力有限,所以只计算了v=11 km/s时的发射角度。在进行一系列模拟之后,得到了一个误差角关于角度的拟合曲线,最终确定了一个比较合理的一个发射角度θ=48.53873768°(π *773168/2867200)
以下是拉格朗日点的绘制以及等速度曲线的绘制。
以下是没有被俘获的一种轨道(很好玩)
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