2025年大學《空間科學與技術(shù)》專業(yè)題庫——星際探測器發(fā)射系統(tǒng)設計考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、名詞解釋（每題3分，共15分）1.星際探測器發(fā)射系統(tǒng)2.比沖3.發(fā)射窗口4.電推進系統(tǒng)5.測控通信系統(tǒng)二、簡答題（每題5分，共25分）1.簡述星際探測器發(fā)射系統(tǒng)主要由哪幾部分構(gòu)成，并說明各部分的主要功能。2.與化學推進系統(tǒng)相比，電推進系統(tǒng)具有哪些主要優(yōu)缺點？3.簡述選擇特定星際探測器發(fā)射任務發(fā)射窗口時需要考慮的主要因素。4.發(fā)射場設施中，發(fā)射塔和測控站各自承擔什么關鍵作用？5.簡述進行發(fā)射系統(tǒng)可靠性設計時需要遵循的基本原則。三、計算題（每題10分，共20分）1.某星際探測器任務需從地球發(fā)射，進入日心霍曼轉(zhuǎn)移軌道。若探測器初始質(zhì)量為5000kg，燃料質(zhì)量為4000kg，采用化學火箭推進，火箭的比沖為300s（假設指真空比沖）。忽略地球引力影響，計算探測器到達近地點時速度的變化量（Δv）以及燃料消耗量。2.假設一個星際探測器在深空執(zhí)行任務，需要使用電推進系統(tǒng)進行軌道修正。電推進系統(tǒng)提供的持續(xù)推力為0.1N，探測器的質(zhì)量為500kg。若需要完成速度增量為50m/s的軌道機動，計算該機動所需的時間（忽略質(zhì)量變化）。四、分析題（每題12分，共24分）1.分析發(fā)射星際探測器時，推進劑選擇（如液氧/液氫vs液氧/煤油）對發(fā)射系統(tǒng)設計（包括發(fā)射場、火箭結(jié)構(gòu)、軌道性能等）可能產(chǎn)生的影響。2.探討深空測控通信系統(tǒng)面臨的主要挑戰(zhàn)，并提出相應的技術(shù)解決方案或應對策略。五、論述題（15分）論述安全性設計在星際探測器發(fā)射系統(tǒng)整體設計中的重要性，并舉例說明如何在系統(tǒng)設計階段考慮安全因素。試卷答案一、名詞解釋1.星際探測器發(fā)射系統(tǒng)：指將星際探測器從地球（或其他天體）發(fā)射出發(fā)，并提供初始動力和軌道機動能力的綜合性工程系統(tǒng)，包括發(fā)射場設施、運載火箭、推進系統(tǒng)、測控通信系統(tǒng)等。2.比沖：指單位質(zhì)量推進劑所能產(chǎn)生的沖量，是衡量推進系統(tǒng)性能的重要指標，單位通常為秒（s）。比沖越高，同等推力下產(chǎn)生的速度變化量越大，或同等速度變化量下消耗的燃料越少。3.發(fā)射窗口：指為了使星際探測器能夠準確到達預定目標天體，必須在地球和目標天體相對位置滿足特定幾何關系時進行的發(fā)射時間段。4.電推進系統(tǒng)：利用高電壓電場加速工作介質(zhì)（如離子、中性粒子），產(chǎn)生小推力、高比沖的推進系統(tǒng)，常用于航天器在軌機動、軌道保持或深空探測。5.測控通信系統(tǒng)：指用于對星際探測器進行測量、控制以及數(shù)據(jù)通信的地面和空間系統(tǒng)，是保證探測器成功完成任務的“生命線”。二、簡答題1.星際探測器發(fā)射系統(tǒng)主要由發(fā)射場設施、運載火箭、推進系統(tǒng)（火箭自身及可能的在軌機動推進）、測控通信系統(tǒng)等構(gòu)成。發(fā)射場設施提供發(fā)射、準備和起飛環(huán)境；運載火箭是執(zhí)行發(fā)射任務的載體，將探測器加速到預定軌道；推進系統(tǒng)為探測器提供在軌機動能力；測控通信系統(tǒng)負責發(fā)射、在軌和深空過程中的跟蹤、遙測、指令發(fā)送和數(shù)據(jù)處理。2.優(yōu)點：比沖高（可達數(shù)萬秒），燃料消耗少；推力可控性好；可以多次啟動；技術(shù)可發(fā)展性強。缺點：推力小，加速慢；功率系統(tǒng)要求高；系統(tǒng)復雜度相對較高；效率受離子光學等部件限制。3.主要因素包括：目標天體的位置和運動狀態(tài)（如相對于地球的角距、角速度）；探測器的任務軌道要求（如所需的能量、到達時間）；地球大氣層和磁層的影響；運載火箭的性能和能力；發(fā)射場的技術(shù)條件；任務窗口的約束（如持續(xù)時間）等。4.發(fā)射塔為運載火箭提供發(fā)射支撐、燃料加注平臺、發(fā)射前的檢查和測試環(huán)境，并在發(fā)射時保護火箭，最后與火箭分離。測控站負責接收、處理和發(fā)送來自運載火箭或探測器的遙測信號，發(fā)送控制指令，進行跟蹤測量，為發(fā)射控制和任務管理提供數(shù)據(jù)支持。5.基本原則包括：可靠性冗余設計（關鍵部件備份）；故障檢測、隔離和恢復（FDIR）機制；遵循故障模式與影響分析（FMEA）結(jié)果進行設計；遵循最小化風險原則；標準化和模塊化設計以簡化驗證；進行充分的地面測試和驗證等。三、計算題1.解析：真空比沖h=Δv/(γ*g0)，其中γ=m_f/m_0，m_0=m_p+m_f。Δv=h*g0*(m_0/m_f)。燃料消耗量Δm=m_0-m_f=m_0*(1-1/γ)=m_0*(1-1/h*g0)。*Δv=300s*9.8m/s2*(5000kg/(5000kg-4000kg))=300*9.8*(5000/1000)=300*9.8*5=14700m/s=14.7km/s。*Δm=5000kg*(1-1/(300s*9.8m/s2))=5000*(1-1/2940)≈5000*(1-0.00034)≈5000*0.99966≈4998.3kg。*(注：比沖單位s通常指真空比沖，g0取9.8m/s2)*2.解析：根據(jù)牛頓第二定律F=ma，a=F/m=0.1N/500kg=0.0002m/s2。速度增量Δv=a*t。則t=Δv/a=50m/s/0.0002m/s2=250000s。*(注：此處忽略質(zhì)量變化，實際電推進機動中探測器質(zhì)量會顯著減少)*四、分析題1.解析：推進劑選擇對發(fā)射系統(tǒng)設計影響顯著。液氧/液氫（LOX/LH2）比沖高，適用于需要高能量效率的任務（如深空探測、返回地球），但推進劑密度低，需要大體積儲罐；燃燒產(chǎn)物不污染環(huán)境；LOX低溫存儲要求高。液氧/煤油（LOX/RP-1）比沖低于LOX/LH2，但煤油密度高，儲罐體積小，發(fā)射場兼容性好，安全性相對較高，成本較低，適用于近地軌道任務和地球出發(fā)的深空任務。因此，LOX/LH2可能需要更大、更重的儲罐和更堅固的發(fā)射塔；LOX/煤油則有利于減輕發(fā)射載荷，簡化發(fā)射場設施。運載火箭的結(jié)構(gòu)設計（如燃燒室壓力、推力矢量控制）也需適應不同推進劑的特性。2.解析：深空測控通信系統(tǒng)面臨的主要挑戰(zhàn)包括：距離極其遙遠導致信號傳播延遲大、信噪比低、帶寬受限；視線遮擋（如地球陰影、行星遮擋）導致通信中斷；深空環(huán)境（如空間輻射、原子氧）對通信設備和鏈路造成損傷和干擾；多普勒頻移顯著，對接收機精度要求高；任務持續(xù)時間長，需要高可靠性的設備和長期穩(wěn)定的工作能力。相應的技術(shù)解決方案或應對策略包括：采用大孔徑天線和高增益天線提高方向性和接收靈敏度；使用深空網(wǎng)絡（DSN）全球覆蓋的測控站；采用功率放大器和低噪聲接收機；設計抗輻射加固的電子設備；利用頻分復用、時分復用等技術(shù)提高帶寬利用率；采用自主導航和遙操作技術(shù)減少對地面實時測控的依賴；開發(fā)先進的信號處理算法（如自適應均衡、信道編碼）等。五、論述題解析：安全性設計在星際探測器發(fā)射系統(tǒng)整體設計中至關重要，是確保任務成功和人員安全的根本保障。首先，發(fā)射系統(tǒng)涉及大量高能推進劑、高速運動的部件和復雜的電氣設備，存在爆炸、結(jié)構(gòu)破壞、電磁干擾等高風險場景，任何失誤都可能導致災難性后果。因此，在系統(tǒng)設計的初期階段就必須將安全性放在首位。其次，需要進行全面的安全風險評估，識別系統(tǒng)各環(huán)節(jié)可能存在的潛在危險源（如推進劑泄漏、結(jié)構(gòu)疲勞、軟件故障、碰撞風險等），并運用故障模式與影響分析（FMEA）、危險與可操作性分析（HAZOP）等方法評估風險等級。再次，基于風險評估結(jié)果，在設計中采取有效的安全措施，例如：推進劑儲罐和管路采用冗余設計；關鍵部件設置故障檢測與隔離（FDIR）機制；采用多重保險和冗余控制系統(tǒng)；優(yōu)化發(fā)射場布局和安全規(guī)程；進行嚴格的環(huán)境防護和抗干擾設計；制定詳細的事故應急預案等。最后，安全性設計不是一次性工作，需要在整個系統(tǒng)研制、測試、發(fā)射和飛行過程中持續(xù)進行，并