2025年大學《行星科學》專業(yè)題庫——行星探測器的設(shè)計與發(fā)展考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請將正確選項填在括號內(nèi)。）1.下列哪一項不是深空探測器軌道設(shè)計需要考慮的主要約束因素？A.發(fā)射窗口的限制B.行星際巡航階段的燃料消耗C.目標天體的引力場特性D.地球大氣層對返回任務(wù)的再入影響（假設(shè)任務(wù)為采樣返回）2.對于需要長期在火星表面工作的探測器（如漫游車），哪種能源系統(tǒng)通常是更可靠的選擇？A.大面積太陽能帆板B.核電池（放射性同位素熱電發(fā)生器RTG）C.磁流體發(fā)電系統(tǒng)D.化學燃料電池3.在深空探測任務(wù)中，利用行星（如木星）進行速度改變的技術(shù)稱為？A.軌道霍曼轉(zhuǎn)移B.引力彈弓效應(yīng)C.距離矢量修正D.太陽帆驅(qū)動4.探測器在太空中需要抵抗的主要環(huán)境威脅之一是？A.隕石撞擊B.地球磁場干擾C.宇宙射線和太陽粒子事件D.微重力環(huán)境5.行星探測器上用于精確確定自身在空間中姿態(tài)（指向）的關(guān)鍵部件屬于哪個子系統(tǒng)？A.推進系統(tǒng)B.電源系統(tǒng)C.姿態(tài)確定與控制（ADCS）系統(tǒng)D.通信系統(tǒng)6.將探測器從行星軌道轉(zhuǎn)移到著陸點的過程稱為？A.轉(zhuǎn)移軌道注入B.軌道機動C.著陸發(fā)動機點火D.軌道插入7.“旅行者1號”探測器能夠?qū)崿F(xiàn)其飛出太陽系目標的根本原因在于其采用了？A.高效的離子推進系統(tǒng)B.多次利用木星、土星等大行星的引力彈弓效應(yīng)C.大功率放射性同位素熱電發(fā)生器D.先進的自主導(dǎo)航技術(shù)8.下列哪項不是“好奇號”火星車相比其前輩“機遇號”在設(shè)計中采用的技術(shù)革新？A.更強大的核電源B.更先進的移動系統(tǒng)（六輪設(shè)計）C.更復(fù)雜的樣本鉆探設(shè)備D.更小的科學儀器載荷9.在行星探測器設(shè)計中，熱控制系統(tǒng)的主要作用是？A.維持探測器姿態(tài)穩(wěn)定B.為科學儀器提供穩(wěn)定的工作電壓C.管理和調(diào)節(jié)探測器內(nèi)部產(chǎn)生的熱量或從外部吸收的熱量，使其保持在適宜工作范圍D.實現(xiàn)探測器的精確軌道機動10.對比運行在類地行星（如火星）和氣態(tài)巨行星（如木星）周圍的探測器，其設(shè)計在哪個方面面臨更大的挑戰(zhàn)？A.電源供應(yīng)B.通信延遲C.輻射防護D.推進效率二、簡答題（每題5分，共25分。請簡明扼要地回答下列問題。）1.簡述行星探測器進入目標天體大氣層并成功著陸所面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)。2.解釋什么是“引力彈弓”效應(yīng)，并說明其在深空探測任務(wù)中的作用。3.行星探測器通常包含哪些主要的子系統(tǒng)？請列舉至少四個并簡述其基本功能。4.與運行在地球軌道或月球軌道的探測器相比，深空探測器在通信系統(tǒng)設(shè)計上面臨哪些獨特挑戰(zhàn)？5.什么是行星探測器的“生存能力”？請列舉至少三種提高探測器生存能力的技術(shù)手段。三、論述題（每題10分，共30分。請結(jié)合具體實例或原理，深入分析和闡述下列問題。）1.分析并比較火星軌道器與火星著陸器在總體設(shè)計、關(guān)鍵子系統(tǒng)（如推進、能源、熱控、著陸系統(tǒng)）以及任務(wù)目標方面的主要異同點。2.探討推進系統(tǒng)類型（如化學火箭、電推進、核推進）的選擇對行星探測任務(wù)（如任務(wù)周期、抵達速度、有效載荷質(zhì)量）的影響。結(jié)合一個具體的探測任務(wù)實例說明。3.以一個你熟悉的行星或小行星探測器為例（如“卡西尼號”土星探測器，“新視野號”冥王星探測器，“羅塞塔號”彗星探測器等），選擇其設(shè)計中的一個關(guān)鍵方面（如軌道設(shè)計、特殊載荷、應(yīng)對極端環(huán)境的措施等），詳細闡述其設(shè)計思路、面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)以及最終取得的科學成果或達到的工程目標。---試卷答案一、選擇題1.D2.B3.B4.C5.C6.D7.B8.D9.C10.C二、簡答題1.挑戰(zhàn)：(1)大氣entry（進入）的熱防護：需承受極高溫度；(2)高速下降的減速：需有效消耗動能；(3)著陸過程的著陸精度和穩(wěn)定性：需在復(fù)雜地形安全著陸；(4)著陸后的能源和通信保障：確保探測器啟動和與地球建立聯(lián)系。2.解釋：“引力彈弓”效應(yīng)是指航天器利用行星（或衛(wèi)星）的引力場，通過靠近該天體時被其引力加速，然后離開時獲得部分或全部所需離開速度的現(xiàn)象。作用：(1)可以顯著節(jié)省航天器抵達目標天體所需的燃料和能量；(2)使原本無法通過直接發(fā)射實現(xiàn)的深空探測任務(wù)（如飛出太陽系）成為可能；(3)能夠改變航天器相對于目標天體的速度矢量。3.子系統(tǒng)與功能：(1)軌道設(shè)計/推進系統(tǒng)：負責確定探測器飛行路徑、實現(xiàn)軌道機動和姿態(tài)調(diào)整，提供推力；(2)電源系統(tǒng)：為探測器各部分提供穩(wěn)定、持續(xù)的電能（如太陽能帆板、RTG）；(3)姿態(tài)確定與控制（ADCS）系統(tǒng)：確定并維持探測器指向，使其相對于太陽、恒星或目標天體保持正確姿態(tài)；(4)通信系統(tǒng)：負責與地球測控站或其他航天器進行數(shù)據(jù)傳輸（測距、測速、測向、數(shù)傳）；(5)熱控制系統(tǒng)：管理探測器內(nèi)部和外部熱量，使其工作在允許溫度范圍；(6)結(jié)構(gòu)與材料：提供探測器支撐骨架，保護內(nèi)部組件，抵抗空間環(huán)境（如輻射、溫差）。4.挑戰(zhàn)：(1)信號傳輸延遲：由于距離遙遠，電磁波往返時間顯著（分鐘到小時級別），導(dǎo)致通信實時性差，難以實現(xiàn)遠程遙控；(2)信號衰減：信號強度隨距離平方反比急劇減弱，到達探測器時非常微弱，需要大口徑天線和高靈敏度接收機；(3)數(shù)據(jù)傳輸率限制：受功率、天線尺寸、信號處理能力等限制，數(shù)據(jù)傳輸速率通常較低，難以傳輸大量高分辨率數(shù)據(jù)（如高清圖像）；(4)頻率選擇與干擾：深空頻段擁擠，需避免與其他系統(tǒng)干擾，并考慮目標天體或行星自身輻射的干擾。5.生存能力與技術(shù)手段：定義：指探測器在深空惡劣環(huán)境（如高能粒子輻射、極端溫度變化、微流星體撞擊、表面塵埃沉積等）中維持正常工作或長期生存的能力。技術(shù)手段：(1)輻射防護：采用屏蔽材料（如金屬、塑料、復(fù)合材料）包裹敏感組件，設(shè)計輻射hardened的電路和電子元件；(2)主動熱控制：利用熱管、散熱器、加熱器等設(shè)備，主動管理系統(tǒng)內(nèi)部熱量，抵抗溫差變化；(3)耐用材料選擇：選用在真空、極端溫度、輻射環(huán)境下性能穩(wěn)定的材料；(4)紅外光學系統(tǒng)保護：對紅外探測器鏡頭進行遮光罩覆蓋，只在需要時打開；(5)微流星體防護：采用防撞面板或加固結(jié)構(gòu)。三、論述題1.分析比較：相同點：(1)都是為執(zhí)行行星科學研究任務(wù)而設(shè)計的復(fù)雜工程系統(tǒng)；(2)都需要具備軌道設(shè)計、推進、姿態(tài)控制、電源、通信等核心子系統(tǒng)；(3)都需要經(jīng)過發(fā)射、星際巡航、到達目標天體、科學探測等階段；(4)設(shè)計目標都服務(wù)于特定的科學目標。不同點：(1)總體設(shè)計：軌道器是圍繞天體運行，通常不著陸；著陸器則需完成從飛行到著陸的過渡，并停留在表面。推進系統(tǒng)：軌道器可能需要較大的推力進行軌道捕獲、變軌；著陸器則主要依賴反推發(fā)動機實現(xiàn)軟著陸和姿態(tài)控制。關(guān)鍵子系統(tǒng)：軌道器通常需要高精度指向以持續(xù)觀測；著陸器則更關(guān)注著陸腿、穩(wěn)定結(jié)構(gòu)、表面移動（若有）等。任務(wù)目標：軌道器側(cè)重于對天體整體或特定區(qū)域進行長期、連續(xù)的觀測和探測；著陸器側(cè)重于對天體表面進行近距離、原位探測，獲取土壤、巖石樣本等。舉例：“火星勘測軌道飛行器”（MRO）是軌道器，其高分辨率相機和光譜儀對火星進行全局觀測；“毅力號”火星車是著陸器，它在耶澤羅撞擊坑著陸，進行原位化學分析、樣本采集和移動探測。2.探討影響與實例：推進系統(tǒng)對任務(wù)的影響：推進系統(tǒng)的類型直接決定了探測器的能量水平和機動能力，從而深刻影響任務(wù)周期、抵達速度、有效載荷質(zhì)量等。(1)化學火箭：能量較低，通常用于將探測器送入地球停泊軌道，再由上面級或一次發(fā)動機將其送往深空，任務(wù)周期長，抵達速度有限，適合大型探測器或需要大量能量的任務(wù)（如返回地球）。(2)電推進（離子推進等）：比沖高（單位質(zhì)量燃料產(chǎn)生的能量），但推力小，加速慢。適合長期、小幅度機動的任務(wù)，如軌道保持、小角度修正，或需要長期加速以獲得較高抵達速度的任務(wù)（如某些小行星探測器），可以減輕燃料質(zhì)量，增加有效載荷。(3)核推進（如核電推進、核熱推進）：具有極高的比沖和較大的推力，可以實現(xiàn)快速、大范圍的軌道機動，顯著縮短任務(wù)周期，或攜帶更大質(zhì)量的有效載荷。但存在技術(shù)挑戰(zhàn)和法規(guī)限制（特別是核熱推進）。實例：“旅行者1號”利用了化學火箭發(fā)射，但依靠其攜帶的核電源（RTG）和電推進系統(tǒng)，實現(xiàn)了多次引力彈弓和長期持續(xù)加速，最終在約37年時間里飛出了太陽風層頂，抵達了星際空間，展示了核電源和引力彈弓結(jié)合的高效深空飛行能力。如果僅靠化學推進，完成同樣任務(wù)需要極大量的燃料和極長的飛行時間。3.選擇實例并闡述：選擇實例：以“卡西尼號”土星探測器為例。關(guān)鍵方面：軌道設(shè)計。設(shè)計思路與挑戰(zhàn)：“卡西尼號”任務(wù)的核心挑戰(zhàn)在于需要圍繞土星及其主要衛(wèi)星（特別是冰巨星泰坦和衛(wèi)星恩克拉多斯）執(zhí)行長達13年的復(fù)雜科學探測任務(wù)，這要求其軌道設(shè)計極其精巧。(1)設(shè)計思路：團隊設(shè)計了創(chuàng)新的“跳躍式”軌道，包含一系列飛越土星最大衛(wèi)星Titan、Enceladus和冰衛(wèi)星Rhea的近距離飛越，以及多個“環(huán)飛”階段，允許探測器利用衛(wèi)星引力進行引力輔助加速和軌道調(diào)整，從而無需消耗過多燃料即可完成多樣化的探測目標。(2)技術(shù)挑戰(zhàn)：(a)需要進行數(shù)千次精確的軌道機動，以確保飛越和環(huán)飛窗口的精確性；(b)軌道設(shè)計必須兼顧對土星本身、環(huán)系以及多個衛(wèi)星的探測需求，平衡不同科學目標；(c)需要精確