2025年大學(xué)《空間科學(xué)與技術(shù)》專業(yè)題庫(kù)——太空飛行器燃料消耗監(jiān)測(cè)考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、名詞解釋（每題3分，共15分）1.燃料消耗率2.燃料剩余量（FRAU）3.質(zhì)譜分析法4.基于推進(jìn)系統(tǒng)性能反推法5.燃料消耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)精度二、簡(jiǎn)答題（每題5分，共25分）1.簡(jiǎn)述太空飛行器進(jìn)行燃料消耗監(jiān)測(cè)的主要目的。2.影響太空飛行器燃料消耗的主要因素有哪些？3.簡(jiǎn)要說明直接測(cè)量燃料質(zhì)量的方法及其面臨的主要挑戰(zhàn)。4.比較光學(xué)法（如光譜分析）和熱工法在燃料消耗監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用特點(diǎn)。5.解釋什么是燃料消耗異常，并列舉可能導(dǎo)致燃料消耗異常的幾種故障模式。三、論述題（每題10分，共30分）1.論述采用組合監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行燃料消耗監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)，并舉例說明一種典型的組合監(jiān)測(cè)方案。2.針對(duì)某一類太空飛行器（如地球軌道衛(wèi)星或深空探測(cè)器），設(shè)計(jì)一個(gè)燃料消耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本框架，說明其關(guān)鍵組成部分及其功能。3.闡述如何利用燃料消耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行飛行器剩余燃料量的估算，并討論影響估算精度的關(guān)鍵因素。四、計(jì)算題（共20分）1.假設(shè)某航天器在一次變軌任務(wù)中，消耗了某種推進(jìn)劑。已知該推進(jìn)劑的質(zhì)量密度為1.5g/cm3，消耗前燃料箱體積為2000L，消耗后燃料箱體積減少了150L。同時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)記錄到發(fā)動(dòng)機(jī)平均推力為20kN，燃燒時(shí)間持續(xù)120s。請(qǐng)計(jì)算：*（1）此次變軌任務(wù)消耗的推進(jìn)劑質(zhì)量是多少？*（2）根據(jù)推力和燃燒時(shí)間，估算的燃料消耗率是多少？（忽略其他能量消耗）*（3）分析估算的燃料消耗率與實(shí)際消耗情況可能存在的差異及其原因。試卷答案一、名詞解釋1.燃料消耗率：指單位時(shí)間內(nèi)航天器消耗的燃料質(zhì)量，常用單位為公斤/秒（kg/s）或克/秒（g/s）。**解析思路：*定義直接來源于定義，強(qiáng)調(diào)單位時(shí)間內(nèi)的質(zhì)量變化率。2.燃料剩余量（FRAU）：指航天器剩余燃料的質(zhì)量或百分比，是評(píng)估航天器任務(wù)余量、確定任務(wù)可行性的關(guān)鍵參數(shù)。**解析思路：*定義直接來源于定義，強(qiáng)調(diào)其在任務(wù)評(píng)估中的重要性。3.質(zhì)譜分析法：利用質(zhì)譜儀測(cè)量燃料成分或濃度的一種方法，通過分析離子質(zhì)荷比和豐度來識(shí)別和定量燃料或其燃燒產(chǎn)物。**解析思路：*定義直接來源于定義，強(qiáng)調(diào)其測(cè)量對(duì)象（成分/濃度）和分析原理（質(zhì)荷比）。4.基于推進(jìn)系統(tǒng)性能反推法：通過監(jiān)測(cè)和分析推進(jìn)系統(tǒng)的性能參數(shù)（如推力、比沖、功耗等），間接推算燃料消耗量的一種方法。**解析思路：*定義直接來源于定義，強(qiáng)調(diào)其“間接”推算的原理和依據(jù)（系統(tǒng)性能參數(shù)）。5.燃料消耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)精度：指燃料消耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量或估算的燃料消耗量/剩余量與真實(shí)值之間的接近程度，通常用絕對(duì)誤差或相對(duì)誤差表示。**解析思路：*定義直接來源于定義，強(qiáng)調(diào)衡量標(biāo)準(zhǔn)（接近程度）和常用表示方法（誤差）。二、簡(jiǎn)答題1.太空飛行器進(jìn)行燃料消耗監(jiān)測(cè)的主要目的：*確保航天器具備足夠的剩余燃料完成既定任務(wù)和機(jī)動(dòng)。*支持任務(wù)規(guī)劃與優(yōu)化，如調(diào)整軌道、實(shí)施機(jī)動(dòng)或延長(zhǎng)任務(wù)壽命。*實(shí)時(shí)或定期評(píng)估航天器狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)燃料泄漏等異常情況。*為航天器的安全返回或受控再入提供燃料狀態(tài)依據(jù)。*提高燃料利用效率，減少資源浪費(fèi)。**解析思路：*從任務(wù)保障、規(guī)劃優(yōu)化、狀態(tài)監(jiān)控、安全返回、資源管理和效率提升等多個(gè)維度回答監(jiān)測(cè)目的。2.影響太空飛行器燃料消耗的主要因素：*燃料本身的物理化學(xué)特性（如密度、熱值、粘度、燃燒產(chǎn)物特性等）。*航天器飛行任務(wù)剖面（如軌道類型、機(jī)動(dòng)次數(shù)、持續(xù)時(shí)間、飛行姿態(tài)等）。*推進(jìn)系統(tǒng)的工作狀態(tài)（如發(fā)動(dòng)機(jī)推力、比沖、工作模式、效率等）。*環(huán)境因素（如地球引力、太陽輻射、微流星體撞擊等）。*航天器結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)間的相互作用（如熱量交換、振動(dòng)影響等）。*燃料消耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的精度和誤差。**解析思路：*從燃料特性、任務(wù)需求、推進(jìn)系統(tǒng)、外部環(huán)境、內(nèi)部因素和監(jiān)測(cè)誤差等多個(gè)層面分類列舉影響因素。3.直接測(cè)量燃料質(zhì)量的方法及其面臨的主要挑戰(zhàn)：*方法：（1）稱重法：在飛行器設(shè)計(jì)階段或特定節(jié)點(diǎn)，通過高精度科對(duì)燃料箱進(jìn)行稱重；（2）燃料流量計(jì)法：在燃料輸送管路中安裝流量計(jì)直接測(cè)量燃料流量，積分得到消耗量。*挑戰(zhàn)：（1）稱重法：僅能提供離散時(shí)間點(diǎn)的燃料質(zhì)量，無法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；燃料箱結(jié)構(gòu)本身質(zhì)量大，稱重精度受限；空間環(huán)境（振動(dòng)、溫度變化）影響傳感器精度；（2）流量計(jì)法：流量計(jì)可能存在測(cè)量誤差、磨損或堵塞問題；安裝位置選擇影響測(cè)量準(zhǔn)確性；需要精確知道流量計(jì)校準(zhǔn)系數(shù)。**解析思路：*先列出兩種直接測(cè)量方法，再分別分析每種方法的主要局限性或挑戰(zhàn)。4.比較光學(xué)法（如光譜分析）和熱工法在燃料消耗監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用特點(diǎn)：*光學(xué)法（光譜分析）：*原理：基于燃料或燃燒產(chǎn)物分子對(duì)特定波長(zhǎng)的電磁輻射的吸收或發(fā)射特性進(jìn)行檢測(cè)和分析。*特點(diǎn)：可進(jìn)行成分分析、濃度測(cè)量；非接觸式測(cè)量可能更適用于某些環(huán)境；可實(shí)現(xiàn)較高靈敏度和選擇性；系統(tǒng)可能較復(fù)雜，對(duì)環(huán)境光干擾敏感。*熱工法：*原理：基于測(cè)量與燃料消耗相關(guān)的熱量變化（如散熱、燃燒熱釋放）來進(jìn)行推斷。*特點(diǎn)：可能更直接地關(guān)聯(lián)能量轉(zhuǎn)換過程；實(shí)現(xiàn)方式多樣（如紅外測(cè)溫、熱流計(jì)）；系統(tǒng)可能相對(duì)簡(jiǎn)單，但信號(hào)可能受多種熱源影響，分離難度大。**解析思路：*分別闡述兩種方法的基本原理，并從測(cè)量對(duì)象、實(shí)現(xiàn)方式、優(yōu)缺點(diǎn)（如靈敏度、選擇性、抗干擾性、系統(tǒng)復(fù)雜性）等方面進(jìn)行比較。5.什么是燃料消耗異常，并列舉可能導(dǎo)致燃料消耗異常的幾種故障模式：*定義：指燃料消耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)得的燃料消耗率或剩余量與預(yù)期值（基于模型預(yù)測(cè)或歷史數(shù)據(jù)）發(fā)生顯著偏離，超出正常允許范圍。*故障模式：（1）燃料泄漏：燃料通過管路接口、密封件等處泄漏到外部；（2）推進(jìn)器噴注偏差或堵塞：導(dǎo)致燃燒效率降低或部分燃料未燃燒；（3）發(fā)動(dòng)機(jī)性能漂移：如推力不穩(wěn)定、比沖下降等，導(dǎo)致實(shí)際消耗與理論值不符；（4）傳感器故障：測(cè)量?jī)x表本身出現(xiàn)偏差、漂移或失效；（5）推進(jìn)劑管理問題：如生成冰或燃?xì)鈯A帶，影響測(cè)量或消耗。**解析思路：*首先給出異常的定義，然后列舉幾種典型的、可能導(dǎo)致異常的硬件或性能故障。三、論述題1.論述采用組合監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行燃料消耗監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)，并舉例說明一種典型的組合監(jiān)測(cè)方案。*優(yōu)勢(shì)：*提高監(jiān)測(cè)精度和可靠性：通過多源信息融合，可以相互校驗(yàn)、補(bǔ)償單一傳感器的誤差和盲區(qū)，獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果。*增強(qiáng)魯棒性：即使部分傳感器失效或受到干擾，系統(tǒng)仍能提供有價(jià)值的監(jiān)測(cè)信息。*完善監(jiān)測(cè)維度：結(jié)合不同原理的監(jiān)測(cè)方法，可以更全面地反映燃料消耗狀態(tài)和潛在問題。*提升故障診斷能力：不同傳感器的輸出差異可以提供故障定位和模式識(shí)別的依據(jù)。*典型組合監(jiān)測(cè)方案舉例：采用“流量計(jì)測(cè)量流量+質(zhì)譜儀監(jiān)測(cè)成分+溫度傳感器輔助”的組合方案。流量計(jì)提供主要的燃料消耗率數(shù)據(jù)，質(zhì)譜儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)燃料或燃燒產(chǎn)物的種類和濃度變化，以檢測(cè)泄漏或燃燒異常。溫度傳感器測(cè)量燃料溫度或相關(guān)熱路溫度，作為輔助信息用于補(bǔ)償流量測(cè)量誤差或判斷燃燒狀態(tài)。通過數(shù)據(jù)融合算法處理這三者的信息，可以得到更精確、更可靠的燃料消耗量和狀態(tài)評(píng)估。**解析思路：*先系統(tǒng)闡述組合監(jiān)測(cè)的幾大核心優(yōu)勢(shì)。然后，選擇一種實(shí)際可行的組合方式（如流量+質(zhì)譜+溫度），解釋各部分的作用，并說明為何這種組合能有效提升監(jiān)測(cè)效果，構(gòu)成一個(gè)具體的方案示例。2.針對(duì)某一類太空飛行器（如地球軌道衛(wèi)星或深空探測(cè)器），設(shè)計(jì)一個(gè)燃料消耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本框架，說明其關(guān)鍵組成部分及其功能。*系統(tǒng)框架：該系統(tǒng)可分為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)處理與分析層、狀態(tài)呈現(xiàn)與決策支持層。*關(guān)鍵組成部分及功能：*數(shù)據(jù)采集單元：負(fù)責(zé)收集來自各類傳感器的原始數(shù)據(jù)。包括：用于測(cè)量燃料流量的流量傳感器、用于監(jiān)測(cè)燃料成分或泄漏的質(zhì)譜儀或光譜儀、用于測(cè)量溫度的溫度傳感器（燃料溫度、管路溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度等）、用于記錄飛行狀態(tài)和指令的慣性測(cè)量單元（IMU）、飛行計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)等。功能是全面、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地獲取反映燃料消耗和系統(tǒng)狀態(tài)的物理量信息。*數(shù)據(jù)處理與分析單元：負(fù)責(zé)對(duì)采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、計(jì)算和建模。包括：數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊（濾波、標(biāo)定、時(shí)間對(duì)齊）、燃料消耗率/質(zhì)量計(jì)算模塊、剩余燃料量（FRAU）估算模型（基于消耗率積分或性能反推）、異常檢測(cè)與診斷模塊（識(shí)別偏差、故障模式）、數(shù)據(jù)融合模塊（整合多源信息）。功能是將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可理解的燃料消耗狀態(tài)、趨勢(shì)和健康信息。*狀態(tài)呈現(xiàn)與決策支持單元：負(fù)責(zé)將分析結(jié)果以合適的格式展示給操作人員或地面控制中心，并提供決策建議。包括：燃料狀態(tài)可視化界面（顯示FRAU、消耗率曲線）、告警系統(tǒng)（報(bào)告異常情況）、歷史數(shù)據(jù)記錄與查詢、與任務(wù)規(guī)劃/控制系統(tǒng)的接口。功能是直觀展示燃料狀態(tài)，及時(shí)預(yù)警風(fēng)險(xiǎn)，支持任務(wù)調(diào)整和資源管理決策。**解析思路：*按照典型的測(cè)控系統(tǒng)架構(gòu)，將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)劃分為三層或主要功能模塊。詳細(xì)說明每層/模塊的功能、包含的關(guān)鍵傳感器/算法類型，并解釋其在整個(gè)監(jiān)測(cè)流程中的作用，使其形成一個(gè)邏輯清晰、功能完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。3.闡述如何利用燃料消耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行飛行器剩余燃料量的估算，并討論影響估算精度的關(guān)鍵因素。*估算方法：*基于消耗率積分：如果能精確測(cè)量瞬時(shí)燃料消耗率`?(t)`，則剩余燃料量`FRAU(t)`可通過積分計(jì)算：`FRAU(t)=FRAU(t?)-∫?(t)dt[t?,t]`。其中`FRAU(t?)`是初始燃料量。這需要消耗率測(cè)量非常精確，且積分時(shí)間間隔足夠小。*基于推進(jìn)系統(tǒng)性能反推：根據(jù)測(cè)量的發(fā)動(dòng)機(jī)推力`T`、比沖`Isp`和飛行時(shí)間`Δt`（用于變軌）或發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間`W`，利用公式`Δm=T*Δt/Isp`或`Δm=T*W/Isp`估算消耗的燃料質(zhì)量`Δm`，進(jìn)而計(jì)算剩余燃料量`FRAU(t)=FRAU(t?)-Δm`。這種方法依賴于發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)的準(zhǔn)確性和飛行模型的精確性。*基于系統(tǒng)模型：利用飛行器動(dòng)力學(xué)和推進(jìn)模型，結(jié)合測(cè)量的飛行器狀態(tài)（速度、位置、姿態(tài)）和推進(jìn)系統(tǒng)參數(shù)（推力、燃料流量等），通過仿真或?yàn)V波算法（如卡爾曼濾波）估計(jì)燃料消耗量和剩余量。這種方法能融合多源信息，但模型精度至關(guān)重要。*影響估算精度的關(guān)鍵因素：*燃料消耗率測(cè)量的精度：這是最直接的影響因素。*初始燃料量的準(zhǔn)確性：初始值的誤差會(huì)直接傳遞到最終結(jié)果。*發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)（推力、比沖）的準(zhǔn)確性：反推法依賴這些參數(shù)，其不確定性會(huì)顯著影響估算結(jié)果。*飛行模型和大氣模型的精度：用于積分或反推計(jì)算時(shí)，需要精確的軌道、姿態(tài)和大氣數(shù)據(jù)。*