专题 · 10 · 3 环的主人不在馆里

航天

终点:一枚正在落回发射场的一级火箭

把东西送上天要回答三个问题:它会走一条什么曲线,怎么从这条轨道换到那条,以及在燃料有限的前提下该怎么烧。三个问题各对应一段数学,最后一段到二十世纪中叶才备齐。

缩略轴按先后排列,间距不表示年数;实心=馆里有他,空心=还没有。

  1. 1609

    轨道是椭圆,扫过的面积随时间均匀增长语言

    开普勒1571–1630走得有快有慢,扫过的面积却一样

    第谷留下的火星数据有八分弧对不上圆轨道,他没有把这八分抹掉。今天算一个航天器什么时候到某个位置,解的仍是他那条超越方程。

  2. 1687

    一条平方反比定律,推出全部三条轨道定律语言

    牛顿1643–1727为什么必须是平方反比

    二体问题有解析解,这是航天里唯一一件能写成闭式的事。此后所有的工作,都是在处理「不止两个物体」和「不是质点」带来的偏差。

  3. 1744

    求一条曲线,使某个积分取极值最优

    欧拉1707–1783变分法与最速降线

    变分法把「哪条路最好」变成一个能解的方程。两百年后的最优轨迹设计,用的还是欧拉—拉格朗日方程这条主干。

  4. 1761

    飞这一段要多久,与轨道长什么样无关算法

    兰伯特1728–1777飞这一段要多久,与轨道长什么样无关

    转移时间只取决于两个端点到焦点的距离之和与它们之间的弦长。这条定理反过来用,就是「给定出发点、到达点和飞行时间,求那条轨道」——今天所有的轨道转移、交会对接都要解这个问题。

  5. 1788

    一本没有图的力学书语言

    拉格朗日1736–1813一本没有图的力学书

    他在序里夸口说全书找不到一张图。把力学写成纯分析之后,约束条件才能作为方程处理——今天的多体动力学仿真器仍按这条路子搭。三体问题的五个平动点也是他给的。

  6. 1843

    三个数不够,要四个结构

    哈密顿1805–1865万向节死锁:三个角度不够用

    用三个欧拉角表示姿态,会在某些角度上丢掉一个自由度,这就是万向节死锁——阿波罗 11 号的惯性平台真的撞上过。四元数没有这个毛病,今天航天器和无人机的姿态全用它存。

  7. 1890

    三体问题没有那种解,而且解会乱起来边界

    庞加莱1854–1912三体问题与混沌

    他本来想证明太阳系稳定,得奖的论文印出来之后他自己发现错了,自费收回重印——改正之后的结论是相反的。轨道预报有一个时间尺度上的天花板,就是从这里来的。

  8. 1892

    不解方程,也能判断它稳不稳语言

    李雅普诺夫1857–1918不在馆里

    造一个沿着轨迹只会减小的正函数,就能断定系统收敛——不必把解写出来。从火箭的姿态回路到无人机,从电源环路到今天证明优化算法收敛,用的都是这一招。切比雪夫的学生,圣彼得堡学派。

  9. 1956

    推力该什么时候开、什么时候关最优

    庞特里亚金1908–1988不在馆里

    最大值原理把「在约束下求最优控制」变成一个能解的两点边值问题,并且给出一个反直觉的结论:燃料最省的推力程序常常是「要么全开、要么全关」。同一时期贝尔曼从另一条路给出动态规划。

  10. 2007

    把动力下降写成一个凸问题最优

    阿奇克梅谢与布莱克莫尔无损凸化不在馆里

    推力有上下界,「下界」这一条让问题本来是非凸的。他们证明放松成凸问题之后最优解不变——这叫无损凸化。凸问题能在几十毫秒内求到全局最优,于是制导可以在下降途中一遍遍重算。喷气推进实验室的火星着陆制导走的是这一路。