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是否有公共领域软件来计算航天器的轨道？
作者Max Parks 2015年12月28日 - 行星和太阳系
旅行者号航天器的轨迹。图片来源：NASA。
是否有公共领域软件可以使用太阳系模型（包括行星和卫星）计算航天器的轨迹？
一群高中生是否可以为有趣（非学校，非分级）项目开发这样的模型？我们的想法是开发一种模型，确定发射特性，以便航天器访问多个行星/卫星。
Patched Conic方法。资源。
我将首先回答你的第二个问题：根据你对你的轨迹的准确程度，这是一个非常可行的项目！可以使用所谓的“Patched Conics”和“Two Body Approximation”来构建航天器轨迹的简单而精确的模拟。两体近似假设在任何给定点，一个大体（行星或太阳）占据了航天器所在的引力场.Patched Conics方法允许我们将这些轨道拼接在一起。两体逼近中的轨迹采用圆锥曲线的形状：圆形，椭圆形，双曲线和抛物线。使用这种方法，我们假设在一定距离处，地球在太空船上的重力很弱，所以我们切换到太阳的参考系。
有了这两个术语，让我们讨论一下这个项目可能需要的资源。我建议，首先要做的是拿起一本关于航天器动力学的教科书。据我所知，这篇文章是Bate，Mueller和White的“天体动力学基础”。这本书非常平易近人，并通过他们的入门课程获得了许多航空航天工程师。本书将向您介绍如何对双体近似进行建模，以及如何将您的圆锥曲线从一个参考框架正确“修补”到另一个参考框架。
6个轨道元素中的4个。图为倾角（i），角动量（h-bar），上升节点的经度（Ω）和近地点（ω）源的参数。
一旦您完成建模过程，您将需要创建实际的太阳系。要做到这一点，你需要每个身体的物理质量，以及所谓的“轨道元素”。这些是您要编程的变量。每个轨道运动体都需要6个轨道元素 - 通过这6个变量，您可以准确计算每个行星在任何给定时刻的位置。我们的太阳系中的这些元素的表格可以在这里找到：太阳系数据。
有了一本好的教科书和正确的元素表，你应该能够对太阳系进行建模，并将你的宇宙飞船引入你想要的任何情况！假设您已经知道如何编码，这个项目应该花费几周到一两个月的时间，具体取决于您投入的时间。这肯定会成为一个好的团队项目！
问题的第一部分是询问是否有任何这样的公共域项目。虽然我的调查没有发现任何公共领域轨迹计算器，但有许多行星的免费模型。我在底部的部分中链接了一个名为“太阳能系统范围”的部分，尽管有很多部分。如果像你这样的项目让你感兴趣，并且你想为轨道开发一个更好的直觉，那么我会推荐一些优秀的程序，尽管它们不是免费的。我推荐的第一个软件是Universe Sandbox（或者更高级的续集，2 Universe Sandbox2）。 Universe Sandbox允许您模拟太空中的任何轨道动力学，从星系碰撞到相互绕行的保龄球。它使用比双体近似更高级的模型来更好地表示物理实际工作的方式。它还包含许多预先建造的场景，包括我们的太阳系，包括所有大型机体及其卫星。 Universe Sandbox正是它的名字所暗示的：一块空白的石板来测试不同的想法。
我推荐的第二款软件叫做Kerbal Space Program。虽然它设置在一个虚构的太阳系中，但它是一个很好的工具，可以让您熟悉导航太阳系的想法。 Kerbal Space Program使用Patched Conics和Two Body Approximation，可以让您深入了解如何构建自己的太阳系模型。有足够的资源可以帮助您开始使用Kerbal，以及积极的Reddit社区，他们通常愿意帮助新移民或寻求教育福利的人。
Max Parks
UT奥斯汀
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