航天工程動力學原理習題集姓名_________________________地址_______________________________學號______________________-------------------------------密-------------------------封----------------------------線--------------------------1.請首先在試卷的標封處填寫您的姓名，身份證號和地址名稱。2.請仔細閱讀各種題目，在規(guī)定的位置填寫您的答案。一、選擇題1.航天器動力學的基本方程包括哪些？

A.牛頓第二定律

B.能量守恒定律

C.角動量守恒定律

D.航天器推進方程

E.航天器熱力學方程

2.航天器在地球引力場中的運動軌跡是？

A.橢圓形

B.圓形

C.拋物線

D.雙曲線

3.航天器在軌道上的速度與軌道高度之間的關系是什么？

A.速度與高度成正比

B.速度與高度成反比

C.速度與高度無關

D.速度與高度平方成反比

4.航天器變軌的目的是什么？

A.提高航天器速度

B.改變航天器軌道高度

C.增加航天器軌道傾角

D.以上都是

5.航天器姿態(tài)控制的基本方法有哪些？

A.反作用力矩

B.推進劑噴氣

C.反射鏡控制

D.以上都是

6.航天器推進系統(tǒng)的主要類型有哪些？

A.化學推進系統(tǒng)

B.電推進系統(tǒng)

C.核推進系統(tǒng)

D.以上都是

7.航天器在空間中的熱力學環(huán)境特點是什么？

A.空間輻射強度高

B.溫度波動大

C.真空環(huán)境

D.以上都是

8.航天器在空間中的電磁環(huán)境特點是什么？

A.磁暴現(xiàn)象

B.太陽粒子事件

C.星際塵埃

D.以上都是

答案及解題思路：

1.答案：ABCD

解題思路：航天器動力學的基本方程應包括牛頓第二定律、能量守恒定律、角動量守恒定律、航天器推進方程以及航天器熱力學方程。

2.答案：A

解題思路：航天器在地球引力場中的運動軌跡通常為橢圓形，其中近地點和遠地點為橢圓的兩個焦點。

3.答案：D

解題思路：根據(jù)開普勒第二定律，航天器在軌道上的速度與軌道高度平方成反比。

4.答案：D

解題思路：航天器變軌的目的可能包括提高速度、改變軌道高度、增加軌道傾角等，以實現(xiàn)特定的任務需求。

5.答案：D

解題思路：航天器姿態(tài)控制的基本方法包括反作用力矩、推進劑噴氣、反射鏡控制等。

6.答案：D

解題思路：航天器推進系統(tǒng)的主要類型包括化學推進系統(tǒng)、電推進系統(tǒng)和核推進系統(tǒng)。

7.答案：D

解題思路：航天器在空間中的熱力學環(huán)境特點包括空間輻射強度高、溫度波動大、真空環(huán)境等。

8.答案：D

解題思路：航天器在空間中的電磁環(huán)境特點包括磁暴現(xiàn)象、太陽粒子事件、星際塵埃等。二、填空題1.航天器動力學的基本方程為牛頓第二定律在航天器運動中的應用，即\(F=m\cdota\)，其中\(zhòng)(F\)是作用在航天器上的合外力，\(m\)是航天器的質量，\(a\)是航天器的加速度。

2.航天器在地球引力場中的運動軌跡為橢圓軌道，這種軌跡符合開普勒定律，其中近地點是航天器距離地球最近的點，遠地點是航天器距離地球最遠的點。

3.航天器在軌道上的速度與軌道高度之間的關系為開普勒第三定律，即\(v=\sqrt{\frac{GM}{r}}\)，其中\(zhòng)(v\)是航天器的軌道速度，\(G\)是萬有引力常數(shù)，\(M\)是地球的質量，\(r\)是航天器到地球中心的距離。

4.航天器變軌的目的是為了改變航天器的軌道參數(shù)，如軌道高度、軌道傾角、軌道偏心率等，以滿足任務需求或調整航天器的飛行路徑。

5.航天器姿態(tài)控制的基本方法有反作用輪控制、噴氣推力控制、磁浮推進控制等，這些方法通過改變航天器的角動量來實現(xiàn)姿態(tài)的調整。

6.航天器推進系統(tǒng)的主要類型有化學推進、電推進、離子推進和核推進等，它們分別利用化學反應、電磁場作用、粒子加速和核反應來產(chǎn)生推力。

7.航天器在空間中的熱力學環(huán)境特點是極端的溫度變化，從太陽直射下的高溫到背陰面的低溫，這種溫差可達數(shù)百攝氏度。

8.航天器在空間中的電磁環(huán)境特點是輻射水平高，包括宇宙射線、太陽輻射、地球輻射帶等，這些輻射對航天器的電子設備和乘員健康有潛在威脅。

答案及解題思路：

1.答案：牛頓第二定律在航天器運動中的應用。

解題思路：根據(jù)航天器動力學的基本原理，選擇牛頓第二定律作為描述航天器運動的基本方程。

2.答案：橢圓軌道。

解題思路：結合開普勒定律，航天器在地球引力場中的運動軌跡為橢圓。

3.答案：\(v=\sqrt{\frac{GM}{r}}\)。

解題思路：運用開普勒第三定律，根據(jù)航天器軌道高度和地球質量計算速度。

4.答案：航天器的軌道參數(shù)。

解題思路：變軌的目的是調整航天器的軌道參數(shù)，以適應任務需求。

5.答案：反作用輪控制、噴氣推力控制、磁浮推進控制等。

解題思路：列舉航天器姿態(tài)控制的基本方法，這些方法用于調整航天器的姿態(tài)。

6.答案：化學推進、電推進、離子推進和核推進。

解題思路：根據(jù)航天器推進系統(tǒng)的分類，列出主要類型。

7.答案：極端的溫度變化。

解題思路：分析航天器在空間中的熱力學環(huán)境，指出溫度變化的極端性。

8.答案：輻射水平高。

解題思路：考慮航天器在空間中的電磁環(huán)境，指出輻射水平較高。三、判斷題1.航天器動力學的基本方程是常微分方程。

答案：正確

解題思路：航天器動力學的基本方程描述了航天器在空間中的運動規(guī)律，這些方程通常涉及到航天器的位置、速度、加速度等參數(shù)，它們通常以常微分方程的形式給出。

2.航天器在地球引力場中的運動軌跡是拋物線。

答案：錯誤

解題思路：在地球引力場中，不考慮空氣阻力等因素時，航天器的運動軌跡是橢圓軌道，而不是拋物線。拋物線是二體問題中特定初始條件下的一種軌跡。

3.航天器在軌道上的速度與軌道高度呈線性關系。

答案：錯誤

解題思路：航天器在軌道上的速度與軌道高度不是線性關系，而是平方根關系。根據(jù)開普勒第三定律，軌道速度與軌道半徑的平方根成正比。

4.航天器變軌的目的是為了改變軌道高度。

答案：正確

解題思路：航天器變軌（軌道機動）的主要目的是改變航天器的軌道高度，以便進入不同的軌道或執(zhí)行特定的任務。

5.航天器姿態(tài)控制的基本方法有自旋穩(wěn)定和三軸穩(wěn)定。

答案：正確

解題思路：自旋穩(wěn)定和三軸穩(wěn)定是航天器姿態(tài)控制中的兩種基本方法。自旋穩(wěn)定是通過自旋產(chǎn)生的離心力來保持航天器的姿態(tài)；三軸穩(wěn)定則涉及控制航天器的三個軸以維持特定姿態(tài)。

6.航天器推進系統(tǒng)的主要類型有化學推進、電推進和核推進。

答案：正確

解題思路：航天器推進系統(tǒng)可以根據(jù)推進劑類型分為化學推進、電推進和核推進。每種類型都有其特點和適用場景。

7.航天器在空間中的熱力學環(huán)境特點是溫度低、壓力低。

答案：正確

解題思路：空間環(huán)境通常具有非常低的溫度和壓力，這對航天器的熱控制和結構設計提出了挑戰(zhàn)。

8.航天器在空間中的電磁環(huán)境特點是輻射強、磁干擾大。

答案：正確

解題思路：空間環(huán)境中的輻射水平較高，且存在強烈的磁場干擾，這對航天器的電子設備和宇航員的安全構成了威脅。四、簡答題1.簡述航天器動力學的基本方程及其應用。

基本方程：航天器動力學的基本方程主要包括牛頓運動定律、萬有引力定律和角動量守恒定律。具體而言，牛頓第二定律描述了航天器在力作用下的加速度，萬有引力定律描述了航天器與地球之間的引力作用，角動量守恒定律描述了航天器在無外力矩作用下的角動量保持不變。

應用：這些方程被廣泛應用于航天器軌道計算、姿態(tài)控制、推進系統(tǒng)設計等方面。

2.簡述航天器在地球引力場中的運動軌跡及其影響因素。

運動軌跡：在地球引力場中，航天器的運動軌跡通常呈橢圓形，稱為軌道。軌道參數(shù)包括半長軸、偏心率、傾角、升交點赤經(jīng)和近地點幅角。

影響因素：影響航天器運動軌跡的主要因素包括地球的引力、太陽和其他天體的引力擾動、大氣阻力等。

3.簡述航天器變軌的目的及其方法。

目的：變軌的目的是為了改變航天器的軌道參數(shù)，使其滿足特定的任務需求，如調整軌道高度、改變軌道傾角等。

方法：變軌方法主要包括火箭推進、軌道機動、重力輔助等方式。

4.簡述航天器姿態(tài)控制的基本方法及其應用。

基本方法：航天器姿態(tài)控制的基本方法包括反應輪控制、噴氣推力控制、磁力控制等。

應用：姿態(tài)控制被廣泛應用于航天器的定向、穩(wěn)定、軌道機動等方面。

5.簡述航天器推進系統(tǒng)的類型及其特點。

類型：航天器推進系統(tǒng)主要包括化學推進、電推進、離子推進和核推進等。

特點：不同類型的推進系統(tǒng)具有不同的特點和適用范圍，如化學推進具有高推力、短行程的特點，而電推進具有低推力、長行程的特點。

6.簡述航天器在空間中的熱力學環(huán)境及其對航天器的影響。

熱力學環(huán)境：航天器在空間中的熱力學環(huán)境主要包括太陽輻射、地球反照率、空間碎片等。

影響：這些因素會導致航天器表面溫度變化，影響航天器的結構和功能。

7.簡述航天器在空間中的電磁環(huán)境及其對航天器的影響。

電磁環(huán)境：航天器在空間中的電磁環(huán)境主要包括太陽輻射、地球磁場、空間輻射等。

影響：電磁環(huán)境會對航天器的電子設備產(chǎn)生干擾，影響航天器的正常工作。

8.簡述航天器動力學在航天工程中的應用。

應用：航天器動力學在航天工程中的應用包括軌道設計、姿態(tài)控制、推進系統(tǒng)設計、熱控制設計等方面。

答案及解題思路：

1.答案：航天器動力學的基本方程包括牛頓運動定律、萬有引力定律和角動量守恒定律。應用包括軌道計算、姿態(tài)控制、推進系統(tǒng)設計等。

解題思路：首先明確航天器動力學的基本方程，然后結合具體應用場景，如軌道計算、姿態(tài)控制等，闡述方程的應用。

2.答案：航天器在地球引力場中的運動軌跡呈橢圓形，影響因素包括地球引力、太陽和其他天體的引力擾動、大氣阻力等。

解題思路：描述航天器運動軌跡的基本形狀，然后列舉影響軌跡的因素。

3.答案：航天器變軌的目的是為了改變軌道參數(shù)，方法包括火箭推進、軌道機動、重力輔助等。

解題思路：明確變軌的目的，然后列舉變軌的方法。

4.答案：航天器姿態(tài)控制的基本方法包括反應輪控制、噴氣推力控制、磁力控制等，應用包括定向、穩(wěn)定、軌道機動等。

解題思路：描述姿態(tài)控制的方法，然后列舉應用場景。

5.答案：航天器推進系統(tǒng)包括化學推進、電推進、離子推進和核推進等，特點包括高推力、低推力、長行程等。

解題思路：列舉推進系統(tǒng)的類型，然后描述其特點。

6.答案：航天器在空間中的熱力學環(huán)境包括太陽輻射、地球反照率、空間碎片等，影響包括表面溫度變化、結構和功能影響等。

解題思路：描述熱力學環(huán)境，然后列舉其對航天器的影響。

7.答案：航天器在空間中的電磁環(huán)境包括太陽輻射、地球磁場、空間輻射等，影響包括電子設備干擾、正常工作影響等。

解題思路：描述電磁環(huán)境，然后列舉其對航天器的影響。

8.答案：航天器動力學在航天工程中的應用包括軌道設計、姿態(tài)控制、推進系統(tǒng)設計、熱控制設計等。

解題思路：列舉航天器動力學在航天工程中的應用領域。五、計算題1.已知航天器在圓形軌道上的速度為7.9km/s，求該軌道的高度。

解答：

軌道高度\(h\)可以通過以下公式計算：

\[

h=\left(\frac{v^2}{g}R\right)R

\]

其中\(zhòng)(v\)是軌道速度，\(g\)是地球表面重力加速度，\(R\)是地球半徑。

\[

h=\left(\frac{(7.9\times10^3)^2}{9.81}6.371\times10^6}\right)6.371\times10^6

\]

計算得：

\[

h\approx357\text{km}

\]

2.已知航天器在橢圓軌道上的近地點速度為10km/s，遠地點速度為5km/s，求該軌道的半長軸。

解答：

橢圓軌道的半長軸\(a\)可以通過以下公式計算：

\[

a=\frac{v_1^2v_2^2}{2}

\]

其中\(zhòng)(v_1\)是近地點速度，\(v_2\)是遠地點速度。

\[

a=\frac{(10\times10^3)^2(5\times10^3)^2}{2}

\]

計算得：

\[

a\approx62500\text{km}

\]

3.已知航天器在地球引力場中的運動軌跡為拋物線，求該軌跡的方程。

解答：

拋物線軌跡的方程可以通過以下公式表示：

\[

y=\frac{gR^2}{2v^2}x^2

\]

其中\(zhòng)(g\)是地球表面重力加速度，\(R\)是地球半徑，\(v\)是航天器的速度。

4.已知航天器在軌道上的速度為8km/s，求該軌道的周期。

解答：

軌道周期\(T\)可以通過以下公式計算：

\[

T=\frac{2\pir}{v}

\]

其中\(zhòng)(r\)是軌道半徑，\(v\)是軌道速度。

需要根據(jù)軌道速度和地球半徑計算軌道半徑\(r\)，然后計算周期。

5.已知航天器變軌時，初始軌道高度為200km，最終軌道高度為400km，求變軌所需的推力。

解答：

變軌所需的推力\(F\)可以通過以下公式計算：

\[

F=\frac{m(v_f^2v_i^2)}{r}

\]

其中\(zhòng)(m\)是航天器的質量，\(v_i\)是初始軌道速度，\(v_f\)是最終軌道速度，\(r\)是軌道半徑。

6.已知航天器姿態(tài)控制采用三軸穩(wěn)定方法，求姿態(tài)控制系統(tǒng)的基本方程。

解答：

姿態(tài)控制系統(tǒng)的基本方程可以通過以下形式表示：

\[

\dot{\omega}=C(\tau,\omega,\omega_d)

\]

其中\(zhòng)(\omega\)是姿態(tài)角速度，\(\omega_d\)是期望姿態(tài)角速度，\(\tau\)是控制力矩，\(C\)是控制矩陣。

7.已知航天器推進系統(tǒng)采用化學推進，求推進劑的質量流量與推力的關系。

解答：

推進劑的質量流量\(\dot{m}\)與推力\(F\)的關系可以通過以下公式表示：

\[

F=\dot{m}\cdotv_e

\]

其中\(zhòng)(v_e\)是噴氣速度。

8.已知航天器在空間中的熱力學環(huán)境溫度為100℃，求航天器表面的熱輻射功率。

解答：

熱輻射功率\(P\)可以通過以下公式計算：

\[

P=\sigmaAT^4

\]

其中\(zhòng)(\sigma\)是斯特藩玻爾茲曼常數(shù)，\(A\)是航天器表面的面積，\(T\)是航天器表面的溫度。

答案及解題思路內容：

1.通過軌道速度和地球引力公式計算軌道高度。

2.使用開普勒第二定律計算橢圓軌道的半長軸。

3.利用拋物線方程和地球引力公式計算拋物線軌跡方程。

4.通過軌道速度和地球引力公式計算軌道半徑，再計算周期。

5.根據(jù)變軌前后的速度和軌道半徑計算所需的推力。

6.描述姿態(tài)控制系統(tǒng)的動態(tài)方程，通常涉及角動量和控制力矩。

7.使用噴氣速度和質量流量公式計算推力。

8.通過斯特藩玻爾茲曼定律計算熱輻射功率。六、論述題1.論述航天器動力學在航天工程中的應用及其重要性。

解題思路：首先簡要介紹航天器動力學的基本概念和作用，然后具體論述其在航天器軌道設計、發(fā)射過程控制、姿態(tài)控制等方面的應用，最后分析其重要性，強調航天器動力學在航天工程中的核心地位。

答案：航天器動力學是研究航天器在太空中的運動規(guī)律和動力學的科學。在航天工程中，航天器動力學廣泛應用于以下幾個方面：①航天器軌道設計，包括發(fā)射窗口的選擇、軌道調整和優(yōu)化等；②發(fā)射過程控制，如火箭推力計算、姿態(tài)控制等；③姿態(tài)控制，如航天器的穩(wěn)定、指向等。航天器動力學的重要性在于：①為航天器軌道設計提供理論依據(jù)，保證航天器在預定軌道上正常運行；②優(yōu)化發(fā)射過程，降低發(fā)射風險，提高發(fā)射成功率；③實現(xiàn)航天器的穩(wěn)定、指向等姿態(tài)控制，保證航天器在空間中的各項任務順利進行。

2.論述航天器變軌的原理及其影響因素。

解題思路：首先闡述航天器變軌的基本原理，然后分析影響航天器變軌的主要因素，包括火箭推進系統(tǒng)、軌道動力學等。

答案：航天器變軌是利用火箭推進系統(tǒng)對航天器進行速度、軌道和姿態(tài)的調整。其原理為：通過改變航天器的速度、方向和高度，使航天器進入新的軌道。影響航天器變軌的主要因素有：①火箭推進系統(tǒng)的推力大小、推力持續(xù)時間、燃料消耗等；②軌道動力學參數(shù)，如地球引力場、太陽輻射壓等；③航天器本身的質心、質量分布、空氣阻力等。

3.論述航天器姿態(tài)控制的方法及其優(yōu)缺點。

解題思路：首先列舉航天器姿態(tài)控制的主要方法，如反作用火箭控制、陀螺儀控制等，然后分別分析各種方法的優(yōu)缺點。

答案：航天器姿態(tài)控制的方法主要包括以下幾種：①反作用火箭控制，優(yōu)點是簡單、直接，但推力消耗大；②陀螺儀控制，優(yōu)點是響應速度快，缺點是成本高、維護難度大；③磁場控制，優(yōu)點是成本低、響應速度快，但控制精度有限；④太陽能帆板控制，優(yōu)點是響應速度快，但控制精度有限。各種方法均有優(yōu)缺點，在實際應用中需根據(jù)具體情況選擇合適的方法。

4.論述航天器推進系統(tǒng)的類型及其特點。

解題思路：首先介紹航天器推進系統(tǒng)的類型，然后分別分析各類推進系統(tǒng)的特點。

答案：航天器推進系統(tǒng)主要包括以下類型：①固體火箭推進系統(tǒng)，特點是結構簡單、成本低、易于維護，但推力較小、持續(xù)時間短；②液體火箭推進系統(tǒng)，特點是推力大、持續(xù)時間長，但結構復雜、成本高；③電推進系統(tǒng)，特點是推力小、持續(xù)時間長，但能源消耗大；④核推進系統(tǒng)，特點是推力大、持續(xù)時間長，但安全性問題突出。各類推進系統(tǒng)均有各自的特點，需根據(jù)實際需求選擇合適的推進系統(tǒng)。

5.論述航天器在空間中的熱力學環(huán)境及其對航天器的影響。

解題思路：首先描述航天器在空間中的熱力學環(huán)境，然后分析這種環(huán)境對航天器的影響，如溫度波動、輻射損傷等。

答案：航天器在空間中的熱力學環(huán)境主要包括：①太陽輻射，包括直接輻射和間接輻射；②地球反照率；③大氣稀薄度；④航天器表面性質。這種熱力學環(huán)境對航天器的影響包括：①溫度波動，導致航天器材料功能下降；②輻射損傷，影響航天器電子設備的正常運行。

6.論述航天器在空間中的電磁環(huán)境及其對航天器的影響。

解題思路：首先描述航天器在空間中的電磁環(huán)境，然后分析這種環(huán)境對航天器的影響，如輻射效應、電磁干擾等。

答案：航天器在空間中的電磁環(huán)境主要包括：①宇宙輻射，如太陽粒子、銀河系粒子等；②太陽風；③地球磁層；④航天器電子設備的電磁輻射。這種電磁環(huán)境對航天器的影響包括：①輻射效應，導致航天器電子設備功能下降；②電磁干擾，影響航天器通信和導航系統(tǒng)。

7.論述航天器動力學在航天器設計中的應用及其作用。

解題思路：首先闡述航天器動力學在航天器設計中的重要作用，然后列舉具體應用案例，如軌道設計、姿態(tài)控制等。

答案：航天器動力學在航天器設計中的重要作用體現(xiàn)在以下幾個方面：①軌道設計，保證航天器在預定軌道上運行；②姿態(tài)控制，實現(xiàn)航天器的穩(wěn)定、指向等要求；③熱力學和電磁環(huán)境分析，保證航天器在惡劣環(huán)境中正常運行。具體應用案例包括：①發(fā)射窗口的選擇；②航天器軌道調整和優(yōu)化；③航天器姿態(tài)控制等。

8.論述航天器動力學在航天器測試中的應用及其意義。

解題思路：首先說明航天器動力學在航天器測試中的應用，然后分析其在航天器測試中的意義，如提高測試精度、縮短測試周期等。

答案：航天器動力學在航天器測試中的應用主要體現(xiàn)在以下幾個方面：①航天器運動參數(shù)的測量和計算；②航天器動力系統(tǒng)的測試；③航天器熱力學和電磁環(huán)境的測試。其在航天器測試中的意義包括：①提高測試精度，保證航天器質量；②縮短測試周期，降低測試