主要研究人造地球衛(wèi)星、探月飛行器和行星際探測(cè)器的飛行理論，進(jìn)行人造天體的軌道設(shè)計(jì)，包括軌道機(jī)動(dòng)、軌道平面變化和星際轉(zhuǎn)移等。
人造衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)理論是天文動(dòng)力學(xué)的重要理論之一，它主要研究人造地球衛(wèi)星在各種攝動(dòng)因素影響下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，理論上沿用了經(jīng)典天體力學(xué)中的攝動(dòng)方法（即小參數(shù)方法）去求解衛(wèi)星攝動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程。如果地球是一個(gè)密度分布均勻的正球體，即可把它看成質(zhì)點(diǎn)，那么衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)就是簡(jiǎn)單的二體問(wèn)題，相應(yīng)的軌道是一個(gè)橢圓。但地球是一個(gè)密度分布不均勻、形狀又很不規(guī)則的天體，因此對(duì)衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)來(lái)說(shuō)，不能把地球看成質(zhì)點(diǎn)。此外，在近地空間仍有大氣阻力作用，還有太陽(yáng)輻射壓力（簡(jiǎn)稱光壓）和日、月等天體的引力作用，這就構(gòu)成了一個(gè)廣義的限制性多體問(wèn)題，又由于地影的存在（衛(wèi)星在繞地球運(yùn)行中，往往每一圈都有一段在太陽(yáng)照射不到的地影內(nèi)），光壓攝動(dòng)是不連續(xù)的，加上衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)很快（近地衛(wèi)星一天要繞地球轉(zhuǎn)十多圈），軌道變化又極其迅速等原因，在計(jì)算衛(wèi)星軌道時(shí)不能簡(jiǎn)單地照搬天體力學(xué)中的一些經(jīng)典方法。因此，必須在原來(lái)的天體力學(xué)基礎(chǔ)上提出一些既實(shí)用又能滿足當(dāng)前觀測(cè)精度要求的軌道計(jì)算和攝動(dòng)計(jì)算方法，從而為某些理論問(wèn)題增添了新的內(nèi)容。比如在研究人造衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)過(guò)程中逐步形成的堀源-李變換，促進(jìn)了經(jīng)典變換理論的發(fā)展；對(duì)“臨界角”及其他共振問(wèn)題的研究，推動(dòng)了軌道共振理論的發(fā)展；此外人們還提出了許多種適用于研究人造衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的中間軌道以及計(jì)算其殘留攝動(dòng)的方法等，所有這些都推動(dòng)了天體力學(xué)的發(fā)展。
月球是離地球最近的自然天體，是星際航行的第一個(gè)目標(biāo)，載人飛船已成功實(shí)現(xiàn)了登月。發(fā)射探月飛行器的目的是對(duì)地月空間、近月空間以及月球本身進(jìn)行科學(xué)考察。根據(jù)不同的目的，探月飛行器又大致分為三類：接近或繞過(guò)月球后又重返地球附近的飛行器（相當(dāng)于一個(gè)特殊的遠(yuǎn)地衛(wèi)星）、擊中月球（硬著陸或軟著陸）探測(cè)器和人造月球衛(wèi)星。發(fā)射探月飛行器比發(fā)射人造地球衛(wèi)星需要更大的能量，因此，如何使燃料消耗最小這個(gè)最優(yōu)化問(wèn)題變得極其重要。在探月飛行器運(yùn)動(dòng)理論中，通常把探月飛行器的運(yùn)動(dòng)作為限制性三體問(wèn)題來(lái)處理，如果精度要求較高，還得考慮其他攝動(dòng)（如太陽(yáng)攝動(dòng)等）。由于探月飛行器同時(shí)受到地球和月球這兩個(gè)天體的引力作用，使得問(wèn)題變得更加復(fù)雜，天體力學(xué)中常用的一些分析方法已不適用。拉普拉斯在十八世紀(jì)末提出了作用范圍的概念，從而得到許多關(guān)于短周期彗星運(yùn)動(dòng)的重要結(jié)論，這個(gè)概念對(duì)于今天研究探月飛行器的運(yùn)動(dòng)也十分有用。對(duì)于地月系統(tǒng)，月球的作用范圍約有66000千米，在這個(gè)范圍內(nèi)主要考慮月球?qū)︼w行器的引力作用，而在這范圍外主要考慮地球?qū)︼w行器的引力作用，從而把探月飛行器的運(yùn)動(dòng)分解成地球與飛行器、月球與飛行器的雙二體問(wèn)題。這是一種近似分析法，但能為探月飛行器的軌道設(shè)計(jì)提供重要的依據(jù)。精確計(jì)算和設(shè)計(jì)探月飛行器軌道需要采用數(shù)值方法，但飛行器分別接近地球和月球時(shí)的特點(diǎn)在數(shù)值計(jì)算中同樣需要考慮。此外，從地球發(fā)射的探月飛行器飛到月球附近后，不作任何推力改正能否被月球俘獲變?yōu)樵虑蛐l(wèi)星，這是一個(gè)俘獲問(wèn)題（見(jiàn)俘獲理論）。經(jīng)研究證實(shí)，產(chǎn)生這種俘獲的概率為零。至于變?yōu)樵虑蛐l(wèi)星后，那就和人造地球衛(wèi)星類似，它的運(yùn)動(dòng)將要受到月球的形狀（非球形）攝動(dòng)和日、地?cái)z動(dòng)等影響（見(jiàn)攝動(dòng)理論）。
發(fā)往太陽(yáng)系各行星的探測(cè)器稱為行星際飛行器。與探月飛行器類似，大致也分三類：接近或繞過(guò)目標(biāo)行星、擊中目標(biāo)行星和人造行星衛(wèi)星。它們的飛行可分為從地球附近發(fā)射到脫離地球作用范圍前、脫離地球作用范圍后到進(jìn)入目標(biāo)行星作用范圍前（這一段常稱為過(guò)渡軌道，主要受太陽(yáng)的引力作用）和進(jìn)入目標(biāo)行星作用范圍三個(gè)階段。此后可能飛離目標(biāo)行星成為一個(gè)人造小行星，或被目標(biāo)行星俘獲變成該行星的人造衛(wèi)星。選擇什么樣的過(guò)渡軌道以使能量消耗較小而飛行時(shí)間又較短的最優(yōu)化問(wèn)題，以及飛行中幾次靠火箭推力換軌的軌道過(guò)渡問(wèn)題，都是行星際飛行器動(dòng)力學(xué)的重要問(wèn)題。在整個(gè)飛行過(guò)程中，飛行器基本上受兩種力的作用，即太陽(yáng)和有關(guān)行星的引力以及火箭推力。如果推力比引力小，則可作為推力攝動(dòng)處理，仍舊是個(gè)典型的天體力學(xué)問(wèn)題；否則，噴氣過(guò)程的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)典型的火箭飛行力學(xué)問(wèn)題。因此，行星際飛行器運(yùn)動(dòng)理論是天體力學(xué)（二體問(wèn)題或限制性三體問(wèn)題）與火箭飛行力學(xué)的結(jié)合。
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