2025年大學(xué)《空間科學(xué)與技術(shù)》專業(yè)題庫——星際探測器的設(shè)計與制造考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、試述進(jìn)行星際探測器任務(wù)規(guī)劃時，需要考慮的主要因素及其相互關(guān)系。請重點說明如何根據(jù)科學(xué)目標(biāo)來確定探測器的軌道類型、飛行速度和有效載荷配置。二、簡述星際探測器常用的推進(jìn)技術(shù)，并比較電推進(jìn)和核推進(jìn)在性能、優(yōu)缺點及適用場景方面的主要差異。三、解釋什么是星際探測器的熱控系統(tǒng)，并說明在深空環(huán)境中，探測器可能面臨哪些主要的熱環(huán)境挑戰(zhàn)？請列舉至少三種不同的被動式熱控方式及其基本原理。四、為什么星際探測器的姿態(tài)確定與控制系統(tǒng)（ADCS）需要特別設(shè)計？請說明在深空環(huán)境下，ADCS需要克服哪些技術(shù)難點？并簡述星敏感器在ADC系統(tǒng)中的作用原理。五、列舉三種適用于星際探測器的電源系統(tǒng)類型，并簡要說明選擇電源類型時需要考慮的關(guān)鍵因素。六、描述在星際探測器的制造過程中，選擇和使用特殊材料（如先進(jìn)復(fù)合材料）需要考慮哪些因素？并舉例說明一種因空間環(huán)境特殊性而設(shè)計的特殊材料及其應(yīng)用。七、星際探測器的測控通信系統(tǒng)（TCSC）與地面通信系統(tǒng)相比，面臨哪些獨特的挑戰(zhàn)？為了克服這些挑戰(zhàn)，通常采用哪些關(guān)鍵技術(shù)或策略？八、設(shè)計一個前往近地小行星進(jìn)行探測的星際探測器，需要進(jìn)行哪些關(guān)鍵的分系統(tǒng)設(shè)計和集成工作？請簡述各主要分系統(tǒng)（如軌道設(shè)計、推進(jìn)、電源、有效載荷）在設(shè)計時需要重點關(guān)注的核心問題。九、在星際探測器的地面測試與驗證階段，進(jìn)行熱真空測試和振動測試的主要目的是什么？這些測試對確保探測器在軌性能有何重要性？十、結(jié)合當(dāng)前深空探測的技術(shù)發(fā)展趨勢，談?wù)勀銓ξ磥硇请H探測器設(shè)計與制造可能面臨的新挑戰(zhàn)以及潛在解決方案的思考。試卷答案一、進(jìn)行星際探測器任務(wù)規(guī)劃時，主要考慮因素包括：探測目標(biāo)特性（質(zhì)量、距離、環(huán)境）、科學(xué)目標(biāo)（需獲取的數(shù)據(jù)類型、精度要求）、任務(wù)壽命、飛行時間、可用發(fā)射窗口、探測器性能限制（質(zhì)量、功耗、推力）、測控通信能力、任務(wù)風(fēng)險與成本等。這些因素相互關(guān)聯(lián)，制約并影響彼此。例如，科學(xué)目標(biāo)往往決定所需有效載荷的類型和性能，進(jìn)而影響探測器質(zhì)量和功耗；探測距離和任務(wù)壽命則決定了所需推進(jìn)系統(tǒng)的性能和燃料量；飛行時間和測控約束會影響軌道設(shè)計；成本和風(fēng)險則制約著設(shè)計的復(fù)雜程度和技術(shù)的選擇。任務(wù)規(guī)劃的核心是根據(jù)優(yōu)先級進(jìn)行權(quán)衡，以在給定的約束條件下，最有效地實現(xiàn)科學(xué)目標(biāo)。二、常用推進(jìn)技術(shù)包括：化學(xué)推進(jìn)（如固體或液體火箭發(fā)動機(jī)）、電推進(jìn)（如離子推進(jìn)、霍爾推進(jìn)）、核推進(jìn)（如核熱推進(jìn)、核電推進(jìn)）。電推進(jìn)利用高電壓加速離子產(chǎn)生推力，具有高比沖（效率高）、燃料消耗率低、可連續(xù)長期工作等優(yōu)點，但推力小、加速時間長。核推進(jìn)利用核反應(yīng)產(chǎn)生熱量驅(qū)動工質(zhì)膨脹產(chǎn)生推力，具有極高比沖和強(qiáng)大推力，可顯著縮短星際飛行時間，尤其適用于需要大推力或長壽命的任務(wù)。但其主要缺點是技術(shù)復(fù)雜、成本高、存在放射性安全和核不擴(kuò)散問題。電推進(jìn)適用于需要精確軌道機(jī)動或長期運(yùn)行的探測器，核推進(jìn)適用于需要快速抵達(dá)遙遠(yuǎn)目標(biāo)或推力需求大的任務(wù)。三、星際探測器的熱控系統(tǒng)是用于管理和維持探測器及其敏感儀器在深空極端溫度變化（向陽面與背陽面溫差可達(dá)數(shù)百攝氏度）和宇宙射線、太陽輻射等熱源作用下，工作在適宜溫度范圍的技術(shù)總稱。主要熱環(huán)境挑戰(zhàn)包括：巨大的太陽輻射熱量、地球反照熱、地球與目標(biāo)天體紅外輻射、宇宙射線及高能粒子帶來的隨機(jī)熱載荷、以及航天器自身電子設(shè)備產(chǎn)生的廢熱。被動式熱控方式主要包括：輻射式熱控（利用熱輻射散熱，如多層隔熱材料MLI、表面涂層）、傳導(dǎo)式熱控（利用導(dǎo)熱材料將熱量從熱源傳導(dǎo)至散熱器，如熱管）、吸熱/透熱式熱控（選擇不同材料或涂層以選擇性吸收或透過特定波段的輻射）。其基本原理分別是利用熱平衡原理通過表面發(fā)射率或吸收率控制輻射散熱，通過導(dǎo)熱材料進(jìn)行熱量傳遞，或通過材料的光譜特性管理輻射熱。四、星際探測器的姿態(tài)需要精確確定和穩(wěn)定，以使有效載荷指向目標(biāo)天體或特定觀測方向，確?？茖W(xué)數(shù)據(jù)獲取的準(zhǔn)確性和通信鏈路的暢通。深空環(huán)境下，ADC系統(tǒng)面臨的技術(shù)難點主要包括：遠(yuǎn)離地球?qū)е聹y控信號延遲大，難以進(jìn)行實時高精度姿態(tài)校正；背景星較少或環(huán)境變化慢，星敏感器等天文敏感器視場內(nèi)目標(biāo)不足或分辨率低；長期自主運(yùn)行對傳感器冗余、故障診斷與隔離（FDIR）能力要求高；姿態(tài)機(jī)動可能對精密儀器造成干擾或損傷；需要應(yīng)對微流星體撞擊、空間垃圾碰撞等隨機(jī)擾動。星敏感器是ADC系統(tǒng)中的一種核心敏感器，通過拍攝天空圖像并識別已知恒星的位置來確定探測器的精確姿態(tài)（指向）。其工作原理是利用高分辨率相機(jī)獲取包含背景恒星的圖像，通過與存儲的星表數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對，計算探測器相對于慣性參考系的姿態(tài)角。五、適用于星際探測器的電源系統(tǒng)類型主要有：太陽電池陣（SB）、放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器（RTG）、太陽能帆板（通常用于近地軌道，但技術(shù)可延伸至深空）、核電池（較少使用）。選擇電源類型時需要考慮的關(guān)鍵因素包括：任務(wù)壽命要求（決定了所需功率和能源轉(zhuǎn)換效率）、飛行距離和星際環(huán)境（影響太陽電池陣效率，決定是否需要RTG）、科學(xué)載荷和探測器其他分系統(tǒng)的功耗需求、任務(wù)安全性（RTG的放射性防護(hù)）、發(fā)射重量限制、成本、技術(shù)成熟度和可靠性。六、在星際探測器的制造過程中，選擇和使用特殊材料需考慮：空間環(huán)境適應(yīng)性（耐真空、抗輻射、耐極端溫度循環(huán)、抗空間等離子體侵蝕等）、輕量化（以減少發(fā)射成本）、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度（滿足航天器動力學(xué)和力學(xué)要求）、熱性能（滿足熱控設(shè)計要求）、制造工藝性與成本、材料間的兼容性。特殊材料及其應(yīng)用示例：先進(jìn)復(fù)合材料（如碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料），因其比強(qiáng)度和比模量高、熱膨脹系數(shù)低、抗疲勞性好，常用于制造大型天線反射面、太陽能電池陣基板、航天器結(jié)構(gòu)件，以實現(xiàn)輕量化設(shè)計。七、星際探測器的測控通信系統(tǒng)（TCSC）面臨的主要挑戰(zhàn)包括：巨大的飛行距離導(dǎo)致的信號傳播時延（可達(dá)數(shù)分鐘至數(shù)小時），使得地面無法實現(xiàn)實時控制，依賴探測器自主運(yùn)行能力；信號衰減嚴(yán)重，需要高功率發(fā)射機(jī)、大口徑天線和深空網(wǎng)絡(luò)支持；帶寬有限，難以傳輸高分辨率圖像和大量科學(xué)數(shù)據(jù)；需要進(jìn)行精確的軌道確定、星歷預(yù)報和相對導(dǎo)航；通信鏈路易受太陽活動、空間等離子體和地球大氣干擾。為克服這些挑戰(zhàn)，通常采用的關(guān)鍵技術(shù)或策略有：開發(fā)高增益天線和高效編碼調(diào)制技術(shù)以提升信噪比和帶寬利用率；利用深空網(wǎng)絡(luò)（DSN）的多個大型天線站進(jìn)行覆蓋和切換；采用自主導(dǎo)航與控制技術(shù)（如慣性導(dǎo)航、星敏感器、激光測距等）；發(fā)展數(shù)據(jù)壓縮和存儲技術(shù)；設(shè)計抗干擾能力強(qiáng)的通信鏈路。八、設(shè)計一個前往近地小行星探測器的關(guān)鍵分系統(tǒng)設(shè)計和集成工作包括：1.軌道設(shè)計：需精確計算發(fā)射窗口、選擇合適的轉(zhuǎn)移軌道（如霍曼轉(zhuǎn)移或更優(yōu)化的軌道）、規(guī)劃中途修正機(jī)動、設(shè)計抵達(dá)小行星附近的捕獲軌道和科學(xué)探測軌道。需考慮小行星的軌道不確定性和質(zhì)量密度。2.推進(jìn)系統(tǒng)：根據(jù)軌道修正、姿態(tài)機(jī)動、引力捕獲或小行星著陸/采樣返回的需求，選擇合適的推進(jìn)技術(shù)（如電推進(jìn)用于長期小修正，化學(xué)推進(jìn)或脈沖等離子體推進(jìn)用于大機(jī)動），并進(jìn)行燃料消耗和推力計算。3.電源系統(tǒng)：根據(jù)峰值功耗、任務(wù)壽命和星際光照條件，設(shè)計太陽電池陣的面積、配置和儲能方式（如蓄電池），或評估RTG的可行性。4.有效載荷：根據(jù)科學(xué)目標(biāo)，選擇和設(shè)計關(guān)鍵儀器（如光學(xué)相機(jī)、光譜儀、磁力計、近紅外成像光譜儀等），考慮其功耗、質(zhì)量、散熱和指向要求。5.結(jié)構(gòu)與熱控：設(shè)計輕質(zhì)、堅固且具有足夠剛度的探測器主體結(jié)構(gòu)，滿足各分系統(tǒng)安裝和載荷分布需求；設(shè)計有效的熱控系統(tǒng)，管理來自太陽、小行星紅外輻射及航天器自身產(chǎn)生的熱量，確保儀器和電子設(shè)備工作在適宜溫度。6.姿態(tài)確定與控制（ADCS）：設(shè)計高精度的姿態(tài)測量系統(tǒng)（如太陽敏感器、星敏感器、陀螺）和執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如磁力矩器、飛輪、反作用飛輪），實現(xiàn)精確指向和穩(wěn)定，以支持有效載荷對準(zhǔn)和小行星相對導(dǎo)航。7.測控通信（TCSC）：設(shè)計通信系統(tǒng)，確保與地面站的數(shù)據(jù)傳輸（科學(xué)數(shù)據(jù)、遙測、指令），可能需要考慮小行星遮擋地球的影響；開發(fā)高精度的軌道確定方法。8.集成與測試：將所有分系統(tǒng)按功能模塊集成到探測器主體上，進(jìn)行嚴(yán)格的測試與驗證（環(huán)境測試、系統(tǒng)測試），確保整體性能和可靠性。九、熱真空測試的主要目的是模擬探測器在太空將經(jīng)歷的極端溫度環(huán)境（高溫和低溫），檢驗探測器結(jié)構(gòu)、材料、組件及分系統(tǒng)（特別是電子設(shè)備和材料）在溫度循環(huán)和極限溫度下的性能、可靠性、耐久性和熱控設(shè)計的有效性。振動測試的主要目的是模擬發(fā)射過程中（火箭振動）和軌道機(jī)動時（如變軌、對接）探測器可能承受的振動和沖擊環(huán)境，檢驗探測器結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度，以及各分系統(tǒng)、連接件和敏感儀器的抗振動能力，確保其在動態(tài)載荷下不會損壞、失穩(wěn)或性能下降。這些測試對確保探測器在軌性能至關(guān)重要，因為它們能提前暴露設(shè)計缺陷和材料缺陷，驗證設(shè)計是否滿足任務(wù)要求，從而提高任務(wù)成功率，避免在軌發(fā)生故障。十、未來星際探測器設(shè)計與制造可能面臨的新挑戰(zhàn)包括：探測距離持續(xù)增加帶來的通信延遲和自主性要求更高的問題；探測更復(fù)雜目標(biāo)（如冰巨行星衛(wèi)星、星際行星）對有效載荷能力和探測精度的更高要求；在嚴(yán)酷空間環(huán)境中（高能粒子、強(qiáng)輻射）實現(xiàn)長期可靠運(yùn)行的技術(shù)挑戰(zhàn)；降低深空探測發(fā)射成本的迫切需求，可能推動可重復(fù)使用、小型化、集群化探測器的發(fā)展；對新型推進(jìn)技術(shù)