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轨道动画
开普勒第二定律
Vis-viva曲線
$T = 2\pi\sqrt{\dfrac{a^3}{GM}}$
vis-viva方程式：
$v^2 = GM\!\left(\dfrac{2}{r} - \dfrac{1}{a}\right)$
角運動量Save：
$L = mr^2\dot{\theta} = \mathrm{const}$
💬 开普勒定律与万有引力 — 宇宙中“弯曲轨道”的真面目
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为什么行星不是圆形而是椭圆形轨道？既然相互吸引，按理说应该是圆形才对。
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这就是天体力学有趣的地方。行星要画出圆形轨道需要“恰到好处的Velocity”，否则就会变成椭圆。靠近太阳时引力加速，远离时减速——这种平衡自然形成了椭圆。开普勒在17世纪根据第谷·布拉赫的观测数据发现了“行星沿椭圆轨道运行”这一定律，也就是开普勒第一定律。
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在模拟器中把“离心率”调大后，在近日点（最近点）附近Velocity变得非常快。这就是开普勒第二定律吗？
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没错！这就是“面积Velocity恒定定律”。太阳与行星的连线在相同时间内扫过的面积始终相等，因此近日点Velocity快，远日点Velocity慢。这实际上是角动量守恒（$L = mr^2\dot{\theta} = \mathrm{const}$）的另一种表述，牛顿用万有引力理论推导了出来。切换到“第二定律标签”时，你应该能看到相同时间内扫过的扇形面积相等。
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试了哈雷彗星的预设，发现它大部分时间都在外侧，内侧则是以极快Velocity掠过。
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因为 e = 0.967 是极端的椭圆。哈雷彗星的近日点距离约 0.59 AU（金星轨道内侧），远日点约 35 AU（海王星外侧）。近日点时速超过 25 万公里，而远日点附近几乎静止。周期约 75~76 年，上次接近是 1986 年，下次大约在 2061 年。
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vis-viva 方程是什么？我对“Vis-viva 曲线”标签很感兴趣。
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$v^2 = GM(2/r - 1/a)$ 这个公式，可以根据 r（当前距离）和 a（半长轴）计算轨道上任意点的Velocity。r 越小（近日点）v 越大，r 越大（远日点）v 越小。图的 x 轴是距离 r，y 轴是Velocity v，曲线呈双曲线形状。这个公式也是火箭轨道转移（霍曼转移）计算的基本公式。
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从发射到地球静止轨道（GEO，约 36,000 km）的转移通常采用“霍曼转移”。①先进入低地球轨道（LEO）→②在近地点加速（第一次ΔV）进入椭圆转移轨道→③在转移轨道的远地点（GEO 高度）再次加速（第二次ΔV）进入圆轨道。这两次点火是最省燃料的方式。在这个模拟器中，从 e=0 开始，增大 e 来拉长远点，就能直观感受转移轨道的概念。
常见问题
什么是开普勒第一定律？
“行星以太阳为一个焦点沿椭圆轨道运行”的定律。1609年开普勒发表，后来牛顿用万有引力的平方反比定律从数学上证明。特殊情况包括 e=0 的圆轨道。月球绕地球以及人造卫星的轨道，在没有摄动的情况下也是椭圆。
请用具体例子说明开普勒第三定律
地球：a=1 AU → T=1年。火星：a=1.52 AU → T=1.52^(3/2)≈1.87年。木星：a=5.2 AU → T=5.2^(3/2)≈11.9年。这些与实际观测值非常吻合。太阳系外 GM 不同，需用 T = 2π√(a³/GM)。牛顿力学的发展使得通过这一关系可以计算其他恒星的质量。
逃逸Velocity怎么计算？
要完全脱离某天体的引力范围，将 vis-viva 方程中的 a → ∞，得到 v_escape = √(2GM/r)。地球表面（r=6371km）的逃逸Velocity约 11.2 km/s，月球表面约 2.4 km/s。a = ∞ 对应抛物线轨道（e=1），e>1 则为双曲线轨道（旅行者探测器就是用这种方式逃离太阳系的）。
这个模拟器的数值积分精度如何？
采用 Verlet 积分法（一种蛙跳法）。该方法比四阶龙格-库塔计算成本低，能量守恒性好，适合轨道力学模拟。但 dt 过大会导致轨道逐渐偏移。Velocity倍率越大，每帧的 dt 越大，精度下降。当 e ≥ 0.9 时，理论上需要在近日点附近采用自适应积分来减小 dt。
实际太空探索中这些知识怎么用？
用于行星探测器的轨道设计（飞越和重力辅助）、卫星轨道维持、太空碎片跟踪。特别是哈勃太空望远镜的维修任务和国际空间站的补给船对接，都需要精确的轨道计算。此外，重力辅助（弹弓效应）的计算中，将行星视为虚拟的“引力源”来设计轨道转换的能量。
什么是Orbital Mechanics Simulator？
軌道力学シミュレタ是CAE和应用物理中的重要基础课题。本交互式模拟器允许您通过直接调节参数并观察实时结果，深入探索其中的关键规律和相互关系。
通过将数值计算与可视化反馈相结合，本模拟器有效地弥合了抽象理论与物理直觉之间的鸿沟，既是学生的高效学习工具，也是工程师进行快速验算的实用手段。
物理模型与关键公式
本模拟器基于軌道力学シミュレタ的控制方程构建。正确理解这些方程是准确解读计算结果的关键。
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方程中的每个参数都对应控制面板中的一个滑块。移动滑块时，方程的解会实时更新，帮助您直观建立数学表达式与物理行为之间的对应关系。
实际应用场景
工程设计： 軌道力学シミュレタ的相关概念广泛应用于机械、结构、电气和流体等工程领域。在开展完整的CAE分析之前，可借助本工具快速估算设计参数并进行灵敏度分析。
教育与科研： 在工程教学中，本工具可将理论与数值计算有效结合。在科研阶段，也可作为假设验证的第一步工具使用。
CAE工作流集成： 在运行有限元（FEM）或计算流体力学（CFD）仿真之前，工程师通常先用简化模型评估物理量级、识别主导参数，并确定合理的边界条件，本工具正是为此目的而设计。
常见误解与注意事项
模型假设： 本模拟器所用数学模型基于线性、均质、各向同性等简化假设。在将计算结果直接用于设计决策之前，务必确认实际系统是否满足这些假设。
单位与量纲： 许多计算错误源于单位换算错误或数量级判断失误。请时刻注意各参数输入框旁标注的单位。
结果验证： 始终将模拟器输出结果与物理直觉或手算结果进行核对。若结果出乎意料，请检查输入参数或采用独立方法进行验证。