2025年星際航行與航天科學(xué)考試試卷及答案一、單項選擇題（每題2分，共20分）1.霍曼轉(zhuǎn)移軌道作為星際航行中最省能量的軌道轉(zhuǎn)移方式，其關(guān)鍵特征是：A.橢圓軌道與兩個同心圓軌道相切B.雙曲線軌道實現(xiàn)快速逃逸C.利用行星引力場加速D.連續(xù)小推力推進形成螺旋軌道2.下列推進技術(shù)中，比沖最大的是：A.液氧煤油火箭發(fā)動機（化學(xué)推進）B.霍爾效應(yīng)推進器（電推進）C.核熱推進發(fā)動機D.脈沖等離子體推進器3.范艾倫輻射帶對星際航行的主要威脅是：A.高能帶電粒子對電子設(shè)備的輻射損傷B.強磁場干擾導(dǎo)航系統(tǒng)C.等離子體密度過高導(dǎo)致通信中斷D.微流星體撞擊風(fēng)險4.火星著陸任務(wù)中，“進入-下降-著陸（EDL）”階段的關(guān)鍵減速手段不包括：A.大氣摩擦產(chǎn)生的熱防護系統(tǒng)B.降落傘展開減速C.反推火箭發(fā)動機點火D.太陽能帆板輔助制動5.星際通信中，為補償信號衰減，通常采用的技術(shù)是：A.提高發(fā)射功率并使用大口徑天線B.縮短通信波長至可見光波段C.增加中繼衛(wèi)星數(shù)量D.采用量子糾纏實現(xiàn)超距通信6.深空探測器的熱控系統(tǒng)中，被動熱控技術(shù)不包括：A.多層隔熱材料（MLI）B.相變材料（PCM）C.電加熱片D.熱輻射器7.地球同步軌道的軌道周期為：A.12小時B.24小時C.36小時D.48小時8.太陽帆推進的核心原理是：A.光子動量傳遞產(chǎn)生推力B.太陽風(fēng)粒子碰撞產(chǎn)生反沖C.太陽能轉(zhuǎn)化為電能驅(qū)動離子推進D.熱膨脹產(chǎn)生機械力9.載人星際航行中，長期失重對人體的主要影響不包括：A.骨密度流失B.肌肉萎縮C.免疫系統(tǒng)功能下降D.視網(wǎng)膜病變10.小行星采樣返回任務(wù)中，采樣機構(gòu)的設(shè)計需重點考慮：A.小行星表面低重力環(huán)境下的抓附能力B.高溫環(huán)境下的材料耐受性C.強輻射環(huán)境下的設(shè)備可靠性D.高速撞擊時的結(jié)構(gòu)強度二、填空題（每空1分，共20分）1.星際航行中，軌道力學(xué)的基本定律是__________，其核心公式為__________。2.電推進技術(shù)的主要類型包括__________、__________和__________，其中__________推進器通過電場加速離子產(chǎn)生推力。3.深空探測任務(wù)中，常用的導(dǎo)航方法包括__________、__________和__________，其中__________需依賴地面測控站的無線電測量。4.火星大氣的主要成分是__________（占比約96%），其表面平均氣壓約為__________，僅為地球表面的__________。5.載人航天生命保障系統(tǒng)（BLSS）的關(guān)鍵技術(shù)包括__________、__________和__________，其中__________技術(shù)通過微生物分解廢物實現(xiàn)物質(zhì)循環(huán)。6.星際通信的主要挑戰(zhàn)是__________、__________和__________，目前常用的通信頻段為__________（如X波段、Ka波段）。三、簡答題（每題8分，共40分）1.簡述引力彈弓效應(yīng)的工作原理及其在星際航行中的應(yīng)用實例。2.比較化學(xué)推進與電推進的優(yōu)缺點，說明各自適用的任務(wù)場景。3.分析火星著陸過程中“恐怖7分鐘”的主要風(fēng)險及應(yīng)對措施。4.解釋載人深空任務(wù)中輻射防護的主要策略（需涵蓋主動防護與被動防護）。5.闡述太陽帆推進技術(shù)的優(yōu)勢與當(dāng)前技術(shù)瓶頸。四、計算題（每題10分，共20分）1.假設(shè)探測器從地球軌道（軌道半徑r?=1AU，1AU=1.496×10?km）轉(zhuǎn)移至火星軌道（r?=1.524AU），采用霍曼轉(zhuǎn)移軌道。已知太陽質(zhì)量M=1.989×103?kg，引力常數(shù)G=6.674×10?11N·m2/kg2，計算：（1）霍曼轉(zhuǎn)移軌道的半長軸a；（2）轉(zhuǎn)移所需時間t（以天為單位）；（3）地球軌道與霍曼轉(zhuǎn)移軌道交點處的速度增量Δv?（提示：圓軌道速度v=√(GM/r)，橢圓軌道近地點速度v?=√(GM(2/r?-1/a))）。2.某深空探測器配備太陽能帆板，帆板面積S=50m2，太陽常數(shù)在地球軌道處為1360W/m2，探測器位于小行星帶（距離太陽2.5AU）。假設(shè)太陽帆的反射率η=0.95，光子動量p=E/c（E為光子能量，c=3×10?m/s），計算：（1）探測器所在位置的太陽輻照度I；（2）太陽帆受到的推力F（提示：推力=2ηIS/c，因反射光子動量變化為2p）；（3）若探測器總質(zhì)量m=800kg，計算其加速度a（保留4位有效數(shù)字）。五、綜合分析題（20分）假設(shè)2025年執(zhí)行“深空-3”任務(wù)：載人飛船從地球出發(fā)，經(jīng)地火轉(zhuǎn)移軌道前往火星，任務(wù)周期2年（含30天火星駐留）。請結(jié)合航天科學(xué)知識，分析以下問題：（1）任務(wù)設(shè)計需考慮的軌道力學(xué)約束（如發(fā)射窗口、轉(zhuǎn)移時間、能量消耗）；（2）載人飛船的生命保障系統(tǒng)需求（包括氧氣供應(yīng)、水回收、廢物處理、輻射防護）；（3）星際通信系統(tǒng)的設(shè)計要點（如信號延遲、帶寬限制、抗干擾措施）；（4）返回地球時的再入大氣層風(fēng)險及應(yīng)對策略（如熱防護、減速控制、著陸點選擇）。答案一、單項選擇題1.A2.C3.A4.D5.A6.C7.B8.A9.D10.A二、填空題1.開普勒定律；T2=ka3（或萬有引力定律；F=G(Mm)/r2）2.靜電推進（離子推進）；電磁推進（霍爾推進）；電熱推進；霍爾（或離子）3.慣性導(dǎo)航；天文導(dǎo)航；無線電導(dǎo)航；無線電導(dǎo)航4.二氧化碳；600Pa；0.6%5.氧氣再生；水再生；廢物處理；生物再生（或微生物降解）6.信號衰減嚴(yán)重；傳輸延遲長；多普勒頻移大；微波三、簡答題1.引力彈弓效應(yīng)是利用行星的運動和引力場，使探測器獲得額外動能的軌道技術(shù)。原理：探測器接近行星時，因行星引力被加速，離開時因相對速度疊加行星軌道速度，實現(xiàn)“借力”。應(yīng)用實例：旅行者1號利用木星、土星的引力加速，脫離太陽系；“朱諾”號探測器借助地球引力彈弓縮短前往木星的時間。2.化學(xué)推進優(yōu)點：推力大（可達數(shù)萬牛）、響應(yīng)快，適合短時間內(nèi)需要大速度增量的任務(wù)（如火箭發(fā)射、近地軌道轉(zhuǎn)移）；缺點：比沖低（約200-450s）、燃料消耗大。電推進優(yōu)點：比沖高（1000-10000s）、燃料效率高，適合長時間小推力任務(wù)（如深空探測器軌道修正、衛(wèi)星位置保持）；缺點：推力?。ê僚＜墸⒓铀贂r間長。3.火星“恐怖7分鐘”風(fēng)險：①大氣稀?。▋H為地球1%），降落傘減速效率低；②高速進入時摩擦產(chǎn)生高溫（約2000℃），熱防護系統(tǒng)需承受極端熱流；③地形復(fù)雜（隕石坑、巖石），著陸精度要求高（誤差需<10km）；④通信延遲（約11分鐘），無法地面實時控制。應(yīng)對措施：采用“降落傘+反推火箭”組合減速；使用隔熱性能優(yōu)異的碳基復(fù)合材料（如PICA）；預(yù)先通過軌道器繪制高分辨率地形圖；采用自主導(dǎo)航與避障系統(tǒng)（如地形相對導(dǎo)航）。4.主動防護：①使用磁場或電場偏轉(zhuǎn)帶電粒子（如超導(dǎo)磁屏蔽）；②優(yōu)化任務(wù)時序，避開太陽耀斑等高能輻射事件；③藥物防護（如抗氧化劑減少DNA損傷）。被動防護：①增加屏蔽材料（如聚乙烯、水）厚度（10-20cm可屏蔽50%輻射）；②關(guān)鍵設(shè)備與艙室采用分層屏蔽設(shè)計；③載人艙優(yōu)先布置在飛船中心區(qū)域，利用燃料、物資艙作為額外屏蔽層。5.優(yōu)勢：無需攜帶燃料（依賴太陽光子）、理論上可無限工作（壽命長）、適合長周期深空任務(wù)（如小行星探測、星際探測）。技術(shù)瓶頸：①帆膜材料需極輕且強韌（當(dāng)前常用聚酰亞胺，厚度僅幾微米）；②大尺度展開可靠性（如100m×100m帆的展開機構(gòu)需避免撕裂）；③低推力下軌道控制精度（需與其他推進方式配合）；④遠離太陽時（>3AU）光子密度下降，推力顯著降低。四、計算題1.（1）半長軸a=(r?+r?)/2=(1+1.524)/2=1.262AU=1.262×1.496×10?km≈1.888×10?km。（2）轉(zhuǎn)移時間t=π√(a3/(GM))。代入數(shù)據(jù)：a=1.888×1011m，GM=1.327×102?m3/s2（GM=G×M=6.674×10?11×1.989×103?≈1.327×102?）。則t=π×√((1.888×1011)3/(1.327×102?))=π×√(6.69×101?)=π×8.18×10?≈2.57×10?秒≈297天（地球軌道周期T?=365天，火星軌道周期T?≈687天，霍曼轉(zhuǎn)移時間為半周期，約(365+687)/2×(a/1AU)^(3/2)的近似值，精確計算為259天，此處因a取1.262AU，實際t=√(a3)×T?/2≈√(1.2623)×365/2≈1.414×182.5≈258天，可能因計算精度差異，合理范圍250-260天）。（3）地球軌道速度v?=√(GM/r?)=√(1.327×102?/(1.496×1011))≈29.78km/s。霍曼轉(zhuǎn)移近地點速度v_h1=√(GM(2/r?-1/a))=√(1.327×102?×(2/(1.496×1011)-1/(1.888×1011)))=√(1.327×102?×(1.337×10?11-5.296×10?12))=√(1.327×102?×8.074×10?12)=√(1.072×10?)≈32.74km/s。Δv?=v_h1-v?≈32.74-29.78≈2.96km/s。2.（1）太陽輻照度I=1360W/m2×(1/2.5)2=1360/6.25=217.6W/m2。（2）推力F=2ηIS/c=2×0.95×217.6×50/(3×10?)=2×0.95×10880/(3×10?)=20672/(3×10?)≈6.891×10??N。（3）加速度a=F/m=6.891×10??N/800kg≈8.614×10??m/s2。五、綜合分析題（1）軌道力學(xué)約束：①發(fā)射窗口：地火轉(zhuǎn)移需滿足地球與火星的相對位置（約26個月一次），確?；袈D(zhuǎn)移軌道與兩行星軌道相交；②轉(zhuǎn)移時間：霍曼轉(zhuǎn)移約259天，需預(yù)留變軌修正時間（如中途軌道調(diào)整）；③能量消耗：需計算Δv需求（地球逃逸Δv≈3.6km/s，火星捕獲Δv≈2.5km/s），優(yōu)化推進劑攜帶量（需平衡飛船質(zhì)量與任務(wù)周期）。（2）生命保障系統(tǒng)需求：①氧氣供應(yīng)：采用電解水（由太陽能/核能發(fā)電）或薩巴捷反應(yīng)（CO?與H?反應(yīng)生成CH?和H?O）再生氧氣，儲備應(yīng)急O(jiān)?罐（按6人×2年×0.8kg/人·天計算，需約3.5噸）；②水回收：尿液蒸餾（回收率>85%）、冷凝水收集（呼吸/汗液）、廢水凈化（反滲透+紫外消毒），總回收率需>95%；③廢物處理：固體廢物（糞便、包裝）采用高溫分解（生成CO?和H?O）或微生物降解（如嗜熱菌分解有機物）；④輻射防護：艙壁增加聚乙烯屏蔽（厚度15cm），設(shè)置輻射避難艙（含額外水/燃料屏蔽），監(jiān)測設(shè)備實時預(yù)警（如半導(dǎo)體輻射探測器）。（3）通信系統(tǒng)設(shè)計：①信號延遲：地火距離約2.25億km，單程延遲≈12.5分鐘，需采用“存儲-轉(zhuǎn)發(fā)”模式（先緩存數(shù)據(jù)再傳輸）；②帶寬限制：Ka波段（30GHz）天線（直徑3m）理論帶寬約10Mbps，需壓縮科學(xué)數(shù)據(jù)（如圖像壓縮算法）、優(yōu)先傳輸關(guān)鍵遙測數(shù)據(jù)；③抗干擾：采用糾錯編碼（如LDPC碼）、極化復(fù)用（水平/垂直極化