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主要研究人造地球卫星、探月飞行器和行星际探测器的飞行理论，进行人造天体的轨道设计，包括轨道机动、轨道平面变化和星际转移等。 人造卫星运动理论是天文动力学的重要理论之一，它主要研究人造地球卫星在各种摄动因素影响下的运动规律，理论上沿用了经典天体力学中的摄动方法（即小参数方法）去求解卫星摄动运动方程。如果地球是一个密度分布均匀的正球体，即可把它看成质点，那么卫星绕地球运动就是简单的二体问题，相应的轨道是一个椭圆。但地球是一个密度分布不均匀、形状又很不规则的天体，因此对卫星的运动来说，不能把地球看成质点。此外，在近地空间仍有大气阻力作用，还有太阳辐射压力（简称光压）和日、月等天体的引力作用，这就构成了一个广义的限制性多体问题，又由于地影的存在（卫星在绕地球运行中，往往每一圈都有一段在太阳照射不到的地影内），光压摄动是不连续的，加上卫星运动很快（近地卫星一天要绕地球转十多圈），轨道变化又极其迅速等原因，在计算卫星轨道时不能简单地照搬天体力学中的一些经典方法。因此，必须在原来的天体力学基础上提出一些既实用又能满足当前观测精度要求的轨道计算和摄动计算方法，从而为某些理论问题增添了新的内容。比如在研究人造卫星运动过程中逐步形成的堀源-李变换，促进了经典变换理论的发展；对“临界角”及其他共振问题的研究，推动了轨道共振理论的发展；此外人们还提出了许多种适用于研究人造卫星运动的中间轨道以及计算其残留摄动的方法等，所有这些都推动了天体力学的发展。 月球是离地球最近的自然天体，是星际航行的第一个目标，载人飞船已成功实现了登月。发射探月飞行器的目的是对地月空间、近月空间以及月球本身进行科学考察。根据不同的目的，探月飞行器又大致分为三类：接近或绕过月球后又重返地球附近的飞行器（相当于一个特殊的远地卫星）、击中月球（硬着陆或软着陆）探测器和人造月球卫星。发射探月飞行器比发射人造地球卫星需要更大的能量，因此，如何使燃料消耗最小这个最优化问题变得极其重要。在探月飞行器运动理论中，通常把探月飞行器的运动作为限制性三体问题来处理，如果精度要求较高，还得考虑其他摄动（如太阳摄动等）。由于探月飞行器同时受到地球和月球这两个天体的引力作用，使得问题变得更加复杂，天体力学中常用的一些分析方法已不适用。拉普拉斯在十八世纪末提出了作用范围的概念，从而得到许多关于短周期彗星运动的重要结论，这个概念对于今天研究探月飞行器的运动也十分有用。对于地月系统，月球的作用范围约有66000千米，在这个范围内主要考虑月球对飞行器的引力作用，而在这范围外主要考虑地球对飞行器的引力作用，从而把探月飞行器的运动分解成地球与飞行器、月球与飞行器的双二体问题。这是一种近似分析法，但能为探月飞行器的轨道设计提供重要的依据。精确计算和设计探月飞行器轨道需要采用数值方法，但飞行器分别接近地球和月球时的特点在数值计算中同样需要考虑。此外，从地球发射的探月飞行器飞到月球附近后，不作任何推力改正能否被月球俘获变为月球卫星，这是一个俘获问题（见俘获理论）。经研究证实，产生这种俘获的概率为零。至于变为月球卫星后，那就和人造地球卫星类似，它的运动将要受到月球的形状（非球形）摄动和日、地摄动等影响（见摄动理论）。 发往太阳系各行星的探测器称为行星际飞行器。与探月飞行器类似，大致也分三类：接近或绕过目标行星、击中目标行星和人造行星卫星。它们的飞行可分为从地球附近发射到脱离地球作用范围前、脱离地球作用范围后到进入目标行星作用范围前（这一段常称为过渡轨道，主要受太阳的引力作用）和进入目标行星作用范围三个阶段。此后可能飞离目标行星成为一个人造小行星，或被目标行星俘获变成该行星的人造卫星。选择什么样的过渡轨道以使能量消耗较小而飞行时间又较短的最优化问题，以及飞行中几次靠火箭推力换轨的轨道过渡问题，都是行星际飞行器动力学的重要问题。在整个飞行过程中，飞行器基本上受两种力的作用，即太阳和有关行星的引力以及火箭推力。如果推力比引力小，则可作为推力摄动处理，仍旧是个典型的天体力学问题；否则，喷气过程的运动是一个典型的火箭飞行力学问题。因此，行星际飞行器运动理论是天体力学（二体问题或限制性三体问题）与火箭飞行力学的结合。 |
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