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Examen

Interplanetary Astrodynamics Solution Manual | Spencer & Conte (1st Edition)

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The Interplanetary Astrodynamics Solution Manual 1st Edition by David B. Spencer and Davide Conte offers clear, step-by-step solutions to textbook problems, helping students master complex concepts in spaceflight dynamics and orbital mechanics. Designed to complement the main text, this resource supports deeper understanding of interplanetary trajectories, mission design, gravity assists, and propulsion modeling. The Interplanetary Astrodynamics Solution Manual (Spencer & Conte) is an essential study aid for aerospace engineering students seeking accurate problem-solving guidance and confident application of astrodynamics principles.

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SOLUTION MANUAL
Interplanetary Astrodynamics
DAVID B. SPENCER, DAVIDE CONTE
1st Edition

, Solutions Manual for Interplanetary Astrodynamics, 1e
by David Spencer, Davide Conte (Selective
Chapters, 2-6)


Interplanetary Astrodynamics

Chapter 2 Problem Solutions

For all numerical problems, use 𝜇 = 398, 600 km3/s2 as the gravitational parameter of the
Earth.


Problem 1
Starting with the unperturbed two-body equations of motion, Equation (2.9), derive its state
space form in spherical coordinates.
Solution
Consider the Cartesian (𝑥, 𝑦, and 𝑧) formulation of the equations of motion for the
two-body problem:
𝜇𝑥
𝑥̈ = − 3
𝑟
𝜇𝑦
𝑦̈ = − 3
𝑟
𝜇𝑧
𝑧̈ = − 3
𝑟

In order to convert between Cartesian and spherical coordinates, we use the following relationships

𝑥 = 𝜌 sin 𝜙 cos 𝜃
𝑦 = 𝜌 sin 𝜙 sin 𝜃
𝑧 = 𝜌 cos 𝜙

where 𝜌, 𝜙, and 𝜃 are the spherical coordinates.
Taking one time-derivative of the above equations for the 𝑥, 𝑦, and 𝑧 coordinates
expressed in terms of 𝜌, 𝜙, and 𝜃 gives

𝑥 = 𝜌 cos 𝜃 sin 𝜙 + 𝜌𝜙 cos 𝜙 cos 𝜃 − 𝜌𝜃 sin 𝜙 sin 𝜃
𝑦 = 𝜌 sin 𝜙 sin 𝜃 + 𝜌𝜙 cos 𝜙 sin 𝜃 + 𝜌𝜃 cos 𝜃 sin 𝜃
𝑧 = 𝜌 cos 𝜙 − 𝜌𝜙 sin 𝜙




1

,Taking another time-derivative:

𝑥̈ = 𝜌̈ cos 𝜃 sin 𝜙 − 𝜌𝜙2 cos 𝜃 sin 𝜙 − 𝜃2 cos 𝜃 sin 𝜙 + 𝜌𝜙̈ cos 𝜙 cos 𝜃+
− 𝜃̈𝜌 sin 𝜙 sin 𝜃 + 2𝜌𝜙 cos 𝜙 cos 𝜃 − 2𝜌𝜃 sin 𝜙 sin 𝜃 − 2𝜌𝜙𝜃 cos 𝜙 sin 𝜃
𝑦̈ = 𝜌̈ sin 𝜙 sin 𝜃 − 𝜌𝜙2 sin 𝜙 sin 𝜃 − 𝜌𝜃2 sin 𝜙 sin 𝜃 + 𝜌𝜙̈ cos 𝜙 sin 𝜃+
+ 𝜌𝜃̈ cos 𝜃 sin 𝜙 + 2𝜌𝜙 cos 𝜙 sin 𝜃 + 2𝜌𝜃 cos 𝜃 sin 𝜙 + 2𝜌𝜃𝜙 cos 𝜙 cos 𝜃
𝑧̈ = 𝜌̈ cos 𝜙 − 2𝜌𝜙 sin 𝜙 − 𝜌𝜙̈ sin 𝜙 − 𝜌𝜙2 cos 𝜙

Equating each 𝑥, 𝑦, and 𝑧 acceleration expressed in spherical coordinates with its
respective acceleration terms gives us the equations of motion for the two-body problem in
terms of spherical coordinates 𝜌, 𝜙, and 𝜃

𝜌̈ cos 𝜃 sin 𝜙 − 𝜌𝜙2 cos 𝜃 sin 𝜙 − 𝜃2 cos 𝜃 sin 𝜙 + 𝜌𝜙̈ cos 𝜙 cos 𝜃+
− 𝜃̈𝜌 sin 𝜙 sin 𝜃 + 2𝜌𝜙 cos 𝜙 cos 𝜃 − 2𝜌𝜃 sin 𝜙 sin 𝜃 − 2𝜌𝜙𝜃 cos 𝜙 sin 𝜃+
𝜇 sin 𝜙 cos 𝜃
+ = 0
𝜌2
𝜌̈ sin 𝜙 sin 𝜃 − 𝜌𝜙2 sin 𝜙 sin 𝜃 − 𝜌𝜃2 sin 𝜙 sin 𝜃 + 𝜌𝜙̈ cos 𝜙 sin 𝜃+
+ 𝜌𝜃̈ cos 𝜃 sin 𝜙 + 2𝜌𝜙 cos 𝜙 sin 𝜃 + 2𝜌𝜃 cos 𝜃 sin 𝜙 + 2𝜌𝜃𝜙 cos 𝜙 cos 𝜃
𝜇 sin 𝜙 sin 𝜃
+ = 0
𝜌2
𝜇 cos 𝜙
𝜌̈ cos 𝜙 − 2𝜌𝜙 sin 𝜙 − 𝜌𝜙̈ sin 𝜙 − 𝜌𝜙2 cos 𝜙 + =0
𝜌2

where we used the fact that 𝜌 = 𝑟 = 𝑥2 + 𝑦2 + 𝑧2.




2

, Problem 2
Prove that for the unperturbed two-body problem, orbital energy is constant.
Solution
2
Start with the vis-viva equation, Equation (2.50): 𝐸 = 𝑣 − 𝜇
2 𝑟

To prove that energy is constant, we need to take its time derivative and show that it
is equal to zero:

𝑑𝐸 𝑑 𝐯⋅𝐯 𝑑 𝜇
= −
𝑑𝑡 𝑑𝑡 ( 2 ) 𝑑𝑡 [(𝐫 ⋅ 𝐫)1/2 ]

𝐯⋅𝐯+𝐯⋅ 1
𝐯 − 𝜇 − −3
𝐫 (2𝐫 ⋅ 𝐫)
=
( 2 ) [ 2 )

−𝜇𝐫
Recall that 𝐯 = 𝐫 =𝑟3 and 𝐫 = 𝐯, so

𝑑𝐸 −𝜇 𝜇𝐫
𝐫
=𝐯⋅( 3 )+ 3 ⋅𝐯
𝑑𝑡 𝑟 𝑟

𝜇𝐫 𝜇𝐫
= −𝐯 ⋅ ( 3 ) + 𝐯 ⋅ 3 = 0
𝑟 𝑟

Thus, 𝑑𝑡𝑑𝐸 = 0 which means that orbital energy is constant.




3

Libro relacionado
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David B. Spencer, Davide Conte Interplanetary Astrodynamics
Edición: 2023 ISBN: 9781000859768 Edición: Desconocido

Información del documento

Subido en
6 de febrero de 2026
Número de páginas
164
Escrito en
2025/2026
Tipo
Examen
Contiene
Preguntas y respuestas
$18.99

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