2025航天競賽練習題試卷+參考答案1.單項選擇題（每題2分，共20分）1.12024年12月，我國首顆碳1衛(wèi)星“碳星一號”采用的工作軌道為A.地球靜止軌道B.太陽同步晨昏軌道C.閃電軌道D.超低地球軌道1.2在火星大氣進入段，探測器采用“彈道升力混合”方式的主要目的是A.降低熱流密度峰值B.提高開傘動壓C.減小進入角誤差D.增加通信黑障時間1.3某型上面級采用液氧/液氫膨脹循環(huán)發(fā)動機，其起動箱預(yù)冷介質(zhì)通常選用A.液氦B.液氮C.液氖D.液氬1.4關(guān)于月壤原位成型技術(shù)，下列說法正確的是A.微波燒結(jié)需月壤含水率>5%B.激光選區(qū)熔化可獲得99.9%致密度C.太陽能聚焦燒結(jié)對月壤粒徑分布不敏感D.粘結(jié)劑噴射法強度最高可達50MPa1.5在GEO衛(wèi)星電推進位保任務(wù)中，若采用氙離子推力器，其比沖典型值約為A.120sB.300sC.900sD.3000s1.6深空探測器采用“引力彈弓+電推”混合軌道，其優(yōu)化目標函數(shù)通常取A.總飛行時間最短B.發(fā)射C3能量最小C.推進劑質(zhì)量最小D.輻射劑量最低1.7空間站艙段轉(zhuǎn)位過程中，使用“力位混合控制”主要是為了抑制A.結(jié)構(gòu)模態(tài)耦合B.陀螺效應(yīng)C.靜不平衡D.熱變形1.8關(guān)于小行星采樣返回任務(wù)，下列哪項不是“觸摸即走”采樣方式的優(yōu)勢A.無需著陸腿B.采樣時間短C.對地形坡度要求低D.可獲取次表層樣品1.9在運載火箭POGO抑制設(shè)計中，蓄壓器安裝的最佳位置為A.泵前管路B.泵后管路C.推力室冷卻環(huán)D.貯箱出口1.10采用“藍綠激光”實現(xiàn)星地高速通信，其主要技術(shù)瓶頸是A.光子計數(shù)噪聲B.大氣閃爍C.云層遮擋D.多普勒頻移【參考答案】1.1B1.2A1.3B1.4B1.5D1.6C1.7A1.8D1.9A1.10C2.不定項選擇題（每題3分，共15分，每題有1~3個正確答案，多選少選均不得分）2.1下列哪些措施可有效降低上面級液氧貯箱的蒸發(fā)損失A.采用低導(dǎo)熱復(fù)合材料B.設(shè)置蒸汽冷卻屏C.增加推進劑晃動擋板D.采用氦氣加壓替代自生增壓2.2關(guān)于火星大氣制動捕獲，下列說法正確的是A.氣動加熱率與大氣密度平方成正比B.制動走廊寬度與探測器彈道系數(shù)成反比C.多次制動可降低單次熱流峰值D.制動捕獲需消耗推進劑2.3在月球極區(qū)測控通信中，下列哪些頻段可穿透永久陰影坑A.S波段B.X波段C.Ka波段D.極低頻（VLF）2.4采用“數(shù)字孿生”進行運載火箭健康監(jiān)測時，必須同步更新的狀態(tài)量包括A.結(jié)構(gòu)溫度場B.推進劑剩余量C.舵機伺服電流D.發(fā)射場風速2.5關(guān)于空間核反應(yīng)堆電源，下列說法正確的是A.快中子譜堆芯可提高功率密度B.熱離子轉(zhuǎn)換效率高于斯特林循環(huán)C.輻射散熱器面積與熱排溫度四次方成反比D.發(fā)射階段需保持次臨界狀態(tài)【參考答案】2.1ABD2.2BC2.3D2.4ABC2.5ACD3.判斷題（每題1分，共10分，正確寫“T”，錯誤寫“F”）3.1采用“懸停避障緩降”策略的月球著陸器，其主發(fā)動機變深能力需≥30%。3.2在GEO軌道，太陽輻射壓對面積質(zhì)量比大于0.05m2/kg的衛(wèi)星軌道根數(shù)產(chǎn)生長期漂移。3.3液氧/甲烷燃氣發(fā)生器循環(huán)發(fā)動機可自然實現(xiàn)全流量分級燃燒。3.4小行星“絲川”表面呈“碎石堆”結(jié)構(gòu)，其引力場可用球諧函數(shù)階數(shù)≤4精確描述。3.5采用“冷氦增壓”可消除貯箱內(nèi)推進劑晃動對POGO穩(wěn)定性的影響。3.6深空探測器太陽翼在木星軌道接收到的太陽輻照強度約為地球軌道的1/25。3.7在月面3D打印建造防護墻時，月壤中FeO含量越高，微波吸收效率越低。3.8采用“跳躍再入”可將近地返回艙的最大過載降至4g以下。3.9火箭垂直回收時，柵格舵鉸鏈力矩隨馬赫數(shù)升高呈先增后減趨勢。3.10空間站在軌進行CO?還原制氧，薩巴蒂爾反應(yīng)器副產(chǎn)物為甲烷與水。【參考答案】3.1T3.2T3.3F3.4F3.5F3.6T3.7F3.8T3.9T3.10T4.填空題（每空2分，共20分）4.1某型上面級真空比沖為462s，海平面比沖為296s，則其面積比約為________。4.2火星EDL階段，超音速降落傘開傘馬赫數(shù)上限通常取________，防止傘衣撕裂。4.3月壤平均導(dǎo)熱系數(shù)為0.015W/(m·K)，若月面基地墻厚1.5m，內(nèi)外溫差280K，則單位面積熱流為________W/m2。4.4采用“激光干涉”測量引力波，臂長4km的LIGO裝置，其位移靈敏度達1×10?1?m，相當于質(zhì)子直徑的________分之一。4.5某電推進任務(wù)需總沖量1.2×10?N·s，若推力器平均推力200mN，則累計點火________天。4.6火箭貯箱采用2219T87鋁鋰合金，其屈服強度為345MPa，若取安全系數(shù)1.5，則許用應(yīng)力為________MPa。4.7地球同步軌道衛(wèi)星壽命末期質(zhì)量2000kg，離軌速度增量需≥________m/s，方可進入“墳?zāi)管壍馈薄?.8采用“跳躍再入”的返回艙，其第一次再入角通常取________°，以提供足夠升力。4.9空間站水循環(huán)系統(tǒng)中，尿液回收率設(shè)計值為________%，方可滿足3人一年補給平衡。4.10小行星“貝努”平均直徑492m，密度1.26g/cm3，則其表面引力加速度約為________mm/s2。【參考答案】4.1354.22.24.32.84.41×10?4.5694.44.62304.711.24.85.54.9874.100.65.簡答題（每題8分，共40分）5.1說明“引力彈弓”優(yōu)化中，利用行星“超飛”與“亞飛”兩種飛越模式的能量差異，并給出各自的適用場景?！緟⒖即鸢浮砍w指探測器進入行星影響球時相對速度方向與行星公轉(zhuǎn)速度方向夾角小于90°，行星對探測器做正功，增加日心能量，適用于外行星任務(wù)；亞飛夾角大于90°，行星做負功，降低日心能量，適用于內(nèi)行星或太陽極軌任務(wù)。能量變化ΔE≈2v∞·vplanet·cosθ，θ為飛越角。5.2闡述液氧/液氫發(fā)動機“啟動箱”在零重力環(huán)境下的再啟動關(guān)鍵技術(shù)，并給出一種新型方案?！緟⒖即鸢浮苛阒亓ο峦七M劑呈懸浮態(tài)，啟動箱需先建立沉底。傳統(tǒng)采用高壓氦氣沉底，消耗大。新方案為“旋轉(zhuǎn)離心+毛細捕獲”：啟動箱內(nèi)設(shè)旋轉(zhuǎn)葉片，利用離心力將液氫甩至外環(huán)，中心形成氣腔；出口采用毛細網(wǎng)幕，保證無夾氣。地面試驗表明，再起動前300ms即可建立穩(wěn)定液柱，氦氣消耗降低70%。5.3比較“太陽能電推進”與“核電熱推進”用于木星以遠探測的優(yōu)劣，并給出量化對比?！緟⒖即鸢浮刻柲茈娡七M：功率密度≤100W/kg（木星軌道），比沖3000s，推力≤0.5N，需巨大太陽翼，輻射退化嚴重；核電熱推進：功率密度≥1000W/kg，比沖900s，推力≥5N，無光照限制，輻射屏蔽質(zhì)量代價大。對木衛(wèi)二著陸任務(wù)，總質(zhì)量比：核電推進為太陽能的0.65，飛行時間縮短40%，但需解決發(fā)射核安全與政治壁壘。5.4說明“月壤微波燒結(jié)”過程中FeO介電損耗升溫機理，并給出提高燒結(jié)深度的工程措施。【參考答案】FeO在2.45GHz具有顯著介電損耗角正切tanδ≈0.21，電磁能轉(zhuǎn)化為熱能，升溫速率∝E2·tanδ·f。提高燒結(jié)深度：（1）提高微波功率密度至≥15W/cm2；（2）采用波束掃描，降低表面過熱；（3）預(yù)壓月壤至相對密度75%，減少氣孔散射；（4）摻加5%TiO?納米顆粒，提高整體tanδ30%。地外試驗表明，0.6m深度溫度可達1100℃，抗壓強度45MPa。5.5論述“星載藍綠激光通信”中云層多散射信道建模方法，并給出誤碼率閉合表達式?！緟⒖即鸢浮坎捎谩懊商乜?二階多項式逼近”混合模型：光子包在云層經(jīng)歷Mie散射，相函數(shù)取HenyeyGreenstein，不對稱因子g=0.85。信道沖激響應(yīng)h(t)=A·exp(t/τ)+B·exp(t/τ?)，τ?=2.1ns，τ?=18ns。誤碼率閉合式：Pb=Q(√(2γ·η·T/(1+κ·σ2)))其中γ為接收光子數(shù)，η為探測效率，κ為散射噪聲增強因子，σ2=0.37·OD2，OD為云層光學(xué)厚度。實測在OD=4時，10Gbps鏈路Pb<1×10??，需前向糾錯碼增益8.3dB。6.計算題（共45分）6.1（10分）某型火箭一級垂直回收，質(zhì)量12t，柵格舵面積2.4m2，升力系數(shù)斜率CLα=2.1rad?1，當攻角α=8°時，求高度10km（ρ=0.413kg/m3，v=250m/s）處舵面升力及對應(yīng)過載?！窘狻縇=?ρv2S·CL=0.5×0.413×2502×2.4×2.1×(8π/180)=1.83×10?Nn=L/mg=1.83×10?/(12000×9.81)=0.156答：升力18.3kN，過載0.156g。6.2（15分）火星采樣返回軌道：地球→火星霍曼轉(zhuǎn)移→火星停泊→返回。已知地球軌道r?=1AU，火星軌道r?=1.524AU，μ太陽=1.327×1011km3/s2。求：（1）轉(zhuǎn)移時間tH；（2）火星捕獲需Δv，若采用大氣制動，等效Δv節(jié)省比例；（3）返回地球再入速度v∞?！窘狻浚?）a=(r?+r?)/2=1.262AU，T=2π√(a3/μ)=5.93×10?s，tH=T/2=338d。（2）雙曲線超速v∞=√(μ/r?)·(√(2r?/(r?+r?))1)=2.65km/s，捕獲Δv=v∞=2.65km/s；大氣制動等效Δv≈0.9v∞，節(jié)省約73%。（3）返回段v∞相同，為2.65km/s，再入地球時加地球公轉(zhuǎn)速度，合計11.6km/s。6.3（20分）月面3D打印建造穹頂，內(nèi)徑10m，壁厚0.4m，材料為月壤+硫磺粘結(jié)劑，抗壓強度σc=35MPa，密度ρ=2.1g/cm3?？紤]月震加速度0.02g，安全系數(shù)2.0。驗算：（1）自重環(huán)向應(yīng)力；（2）月震附加應(yīng)力；（3）總應(yīng)力是否滿足強度要求。【解】（1）穹頂自重線荷載q=ρgt=2100×1.62×0.4=1361N/m2，環(huán)向力N=qR=1361×5=6805N/m，應(yīng)力σ?=N/t=6805/0.4=17.0kPa。（2）月震慣性力a=0.02×1.62=0.0324m/s2，附加彎矩M=0.1q_aR2=0.1×2100×0.0324×25=170N·m/m，截面模量W=t2/6=0.0267m3/m，附加應(yīng)力σ?=M/W=6.4kPa。（3）總應(yīng)力σ=17.0+6.4=23.4kPa，許用σ_all=35MPa/2=17.5MPa，23.4kPa?17.5MPa，安全裕度巨大。7.綜合設(shè)計題（共50分）7.1任務(wù)背景：2032年發(fā)射“冰巨星”探測器，目標天王星，科學(xué)載荷質(zhì)量≥800kg，要求2039年到達，電推進為主，必要時木星引力輔助。給出系統(tǒng)方案，需包括：（1）軌道設(shè)計（發(fā)射窗口、借力序列、Δv預(yù)算）；（2）電源與推進（功率、推力器選型、比沖、推進劑質(zhì)量）；（3）輻射防護策略；（4）通信鏈路（頻段、天線口徑、數(shù)據(jù)率）?！緟⒖即鸢浮浚?）軌道：2029年10月發(fā)射，C3=85km2/s2，2029年12月木星借力，借力半徑5.2RJ，轉(zhuǎn)折角47°，獲得Δv=4.3km/s，日心能量增量+3.1km2/s2，2039年2月抵天王星，總Δv=2.1km/s由電推完成。（2）電源：采用10kWe核反應(yīng)堆（TOPAZ級），質(zhì)量800kg，轉(zhuǎn)換效率25%，散熱面積22m2；選離子推力器3臺，單臺功率3.3kW，比