北京理工大學(xué)2024年研究生復(fù)試（航天器推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)）試題及答案考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡(jiǎn)述火箭推進(jìn)劑的主要類(lèi)型及其選擇原則。舉例說(shuō)明一種常用的液體推進(jìn)劑和一種常用的固體推進(jìn)劑，并簡(jiǎn)述其特點(diǎn)。二、根據(jù)熱力學(xué)定律，推導(dǎo)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力的表達(dá)式。解釋式中各符號(hào)的含義，并說(shuō)明影響推力的主要因素有哪些。三、什么是膨脹比？簡(jiǎn)述收斂擴(kuò)散噴管的工作原理。推導(dǎo)理想條件下噴管出口流速和推力的表達(dá)式。說(shuō)明為什么在實(shí)際工程中，常采用膨脹錐來(lái)調(diào)節(jié)噴管的膨脹程度。四、簡(jiǎn)述液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力室的主要組成部分及其功能。描述燃?xì)庠谕屏κ覂?nèi)的主要流動(dòng)過(guò)程（從燃燒室到噴管出口）。五、什么是電推進(jìn)系統(tǒng)？與傳統(tǒng)的化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)相比，電推進(jìn)系統(tǒng)具有哪些顯著的優(yōu)缺點(diǎn)？請(qǐng)分別說(shuō)明。六、一個(gè)航天器需要從近地軌道變軌到地月轉(zhuǎn)移軌道，初步設(shè)計(jì)要求提供1000N的變軌推力，持續(xù)工作時(shí)間約為500秒。若采用霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)，請(qǐng)簡(jiǎn)述其基本工作原理，并說(shuō)明需要考慮哪些關(guān)鍵性能參數(shù)來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和評(píng)估。七、簡(jiǎn)述航天器姿態(tài)控制對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)提出的要求。介紹兩種常用的姿態(tài)控制推進(jìn)技術(shù)，并比較其特點(diǎn)。八、論述推進(jìn)劑貯箱在航天器結(jié)構(gòu)中的重要性。簡(jiǎn)述貯箱可能面臨的主要設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，并介紹一種提高貯箱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的典型方法。九、結(jié)合你所了解的航天任務(wù)，分析選擇不同類(lèi)型推進(jìn)系統(tǒng)（例如，化學(xué)火箭、電火箭、太陽(yáng)能電推進(jìn)等）的主要依據(jù)是什么？并舉例說(shuō)明某種任務(wù)最適合使用哪種推進(jìn)技術(shù)。十、簡(jiǎn)述渦輪泵式液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理。分析影響渦輪泵效率的主要因素有哪些？并簡(jiǎn)要說(shuō)明提高渦輪泵效率的可能途徑。試卷答案一、答案：火箭推進(jìn)劑按狀態(tài)分為液體、固體和氣體推進(jìn)劑。選擇原則主要包括：高比沖、高密度、良好的燃燒性能、能量密度高、安全性、環(huán)境友好性、易于存儲(chǔ)和使用等。常用的液體推進(jìn)劑：液氧（LOX）與液氫（LH2）組合。特點(diǎn)：比沖高，性能優(yōu)越，適用于需要高能量密度的場(chǎng)合，如航天發(fā)射。缺點(diǎn)是儲(chǔ)運(yùn)條件苛刻，需要低溫絕熱，系統(tǒng)復(fù)雜。常用的固體推進(jìn)劑：高氯酸銨（AP）與鋁（Al）的復(fù)合固體推進(jìn)劑。特點(diǎn)：儲(chǔ)存穩(wěn)定，使用方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，推力可控性較好。缺點(diǎn)是比沖相對(duì)較低，燃燒產(chǎn)物含有害物質(zhì)，推力調(diào)節(jié)范圍有限。解析思路：首先回答推進(jìn)劑的分類(lèi)。然后闡述選擇推進(jìn)劑需考慮的關(guān)鍵原則。接著分別舉例一種液體推進(jìn)劑（如LOX/LH2）和一種固體推進(jìn)劑（如AP/Al），并分別從性能、優(yōu)缺點(diǎn)、應(yīng)用場(chǎng)景等方面進(jìn)行簡(jiǎn)述對(duì)比，突出各自特點(diǎn)。二、答案：根據(jù)動(dòng)量定理和理想氣體狀態(tài)方程，推導(dǎo)火箭推力表達(dá)式為F=?*ve+pe*Ae，其中F為推力，?為推進(jìn)劑質(zhì)量流量，ve為噴管出口處推進(jìn)劑的絕對(duì)速度（有效排氣速度），pe為噴管出口處工質(zhì)的壓強(qiáng)，Ae為噴管出口面積。影響推力的主要因素：推進(jìn)劑質(zhì)量流量（?）、有效排氣速度（ve）、噴管出口壓強(qiáng)（pe）和出口面積（Ae）。其中，有效排氣速度是衡量推進(jìn)劑能量利用效率的關(guān)鍵指標(biāo)。三、答案：膨脹比是指噴管出口直徑與喉道直徑的比值，也等于出口截面積與喉道截面積的比值，用γ表示。收斂擴(kuò)散噴管的工作原理：利用流體在收縮段加速，在擴(kuò)散段進(jìn)一步膨脹做功，使工質(zhì)的壓力降低、溫度降低，速度增加，達(dá)到超聲速。理想條件下噴管出口流速表達(dá)式為ve=√(2*γ*R*T*((γ+1)/(γ-1))^(γ/(γ-1)))*((pe/p0)^(1/γ)-1)，其中R為氣體常數(shù)，T為燃燒室溫度，p0為燃燒室壓力，pe為出口壓強(qiáng)。推力表達(dá)式如第二題所述。實(shí)際工程中，由于燃燒室壓力和所需真空推力之間存在壓強(qiáng)比變化范圍，單一收斂擴(kuò)散噴管難以在整個(gè)飛行包線內(nèi)實(shí)現(xiàn)最佳膨脹。采用膨脹錐可以在不同的飛行高度和速度下，與噴管出口段共同作用，實(shí)現(xiàn)持續(xù)的膨脹過(guò)程，從而在更大壓強(qiáng)比范圍內(nèi)獲得最大推力或滿足特定的膨脹需求。四、答案：液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力室主要組成部分及其功能：1.燃燒室：容納推進(jìn)劑燃燒，產(chǎn)生高溫高壓燃?xì)?。通常帶有噴管壁冷卻結(jié)構(gòu)。2.噴管：將燃燒產(chǎn)生的高溫高壓燃?xì)廪D(zhuǎn)化為高速氣流，產(chǎn)生推力。主要包括收斂段和擴(kuò)散段（或收斂擴(kuò)散噴管）。3.液體推進(jìn)劑貯箱：儲(chǔ)存燃料和氧化劑。4.推進(jìn)劑輸送系統(tǒng)：包括渦輪泵（或渦輪分子泵）、渦輪、渦輪驅(qū)動(dòng)泵、燃料渦輪、氧化劑渦輪、管路、閥門(mén)等，負(fù)責(zé)將推進(jìn)劑從貯箱輸送至燃燒室。5.噴管框架與推力架：承受推力并傳遞至發(fā)動(dòng)機(jī)短艙。燃?xì)庠谕屏κ覂?nèi)的主要流動(dòng)過(guò)程：推進(jìn)劑在輸送系統(tǒng)作用下進(jìn)入燃燒室混合燃燒，產(chǎn)生高溫高壓燃?xì)?。燃?xì)馐紫冗M(jìn)入噴管收斂段加速，然后在擴(kuò)散段進(jìn)一步膨脹，速度顯著增加，壓力和溫度下降，最終以超聲速噴出噴管出口，形成推力。五、答案：電推進(jìn)系統(tǒng)是利用電能直接或間接加速工作介質(zhì)（通常是等離子體）產(chǎn)生推力的航天推進(jìn)系統(tǒng)。優(yōu)點(diǎn)：比沖高（可達(dá)數(shù)千甚至上萬(wàn)秒），燃料消耗率低；推力可控性好，可實(shí)現(xiàn)微推力甚至更小的推力；系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，沒(méi)有化學(xué)燃燒過(guò)程，無(wú)燃燒產(chǎn)物污染；壽命長(zhǎng)，維護(hù)需求低。缺點(diǎn)：功率密度低，需要大容量、高性能的電源；比沖高是以犧牲推力為代價(jià)的，不適用于需要大推力的場(chǎng)合；對(duì)電網(wǎng)功率要求高，對(duì)航天器電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出挑戰(zhàn)；部分系統(tǒng)（如霍爾推力器）對(duì)空間環(huán)境（如等離子體密度）有一定敏感性。六、答案：霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)工作原理：利用強(qiáng)磁場(chǎng)和射頻電源在加速柵極間產(chǎn)生負(fù)離子，負(fù)離子在電場(chǎng)作用下加速并轟擊中性氣體（如氙氣），使之電離產(chǎn)生正離子和電子。正離子在電場(chǎng)作用下被加速流向陰極，電子被中和器收集。高速正離子流形成推力。需要考慮的關(guān)鍵性能參數(shù)：比沖、推力、比功率（推力/質(zhì)量）、電源效率、比沖效率、貯箱容量、壽命、啟動(dòng)時(shí)間、對(duì)空間環(huán)境的適應(yīng)性等。這些參數(shù)決定了系統(tǒng)是否滿足任務(wù)需求。七、答案：航天器姿態(tài)控制對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)提出的要求：提供可調(diào)的、可控的小推力或微推力；具有良好的姿態(tài)指向精度和響應(yīng)速度；系統(tǒng)功耗低；在有限的航天器資源（如質(zhì)量、燃料）下實(shí)現(xiàn)高效率的姿態(tài)控制。常用的姿態(tài)控制推進(jìn)技術(shù)：冷氣體噴嘴推力器（使用高壓惰性氣體）、化學(xué)微推進(jìn)器（使用小型固體或液體推進(jìn)劑）、電推進(jìn)推力器（如霍爾推力器、電弧推力器）。比較：冷氣體推力器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)快、無(wú)污染，但比沖低、燃料有限?；瘜W(xué)微推進(jìn)器比沖較高，但系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜、有一定污染。電推進(jìn)推力器比沖高、效率高，但系統(tǒng)功率大、啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)。八、答案：推進(jìn)劑貯箱在航天器結(jié)構(gòu)中的重要性：是承載推進(jìn)劑的容器，其容量直接決定了航天器的任務(wù)壽命和性能；是航天器結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其質(zhì)量、強(qiáng)度、剛度和形狀會(huì)影響航天器的整體質(zhì)量分布、慣量張量和動(dòng)力學(xué)特性；其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇直接影響航天器的可靠性、安全性和成本。貯箱面臨的主要設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)：承受巨大的內(nèi)部壓力和外部載荷（如氣動(dòng)壓力、振動(dòng)、沖擊）；在低溫或高溫環(huán)境下保持材料的性能和密封性；確保長(zhǎng)期存儲(chǔ)下的推進(jìn)劑安全；減輕結(jié)構(gòu)重量；保證制造和測(cè)試的可靠性。提高貯箱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的典型方法：采用高強(qiáng)度輕質(zhì)材料（如鋁合金、復(fù)合材料）；優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如采用加筋、加厚、整體承載結(jié)構(gòu)等）；采用先進(jìn)制造工藝（如擴(kuò)散連接、纏繞成型）；進(jìn)行嚴(yán)格的有限元分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。九、答案：選擇不同類(lèi)型推進(jìn)系統(tǒng)的主要依據(jù)包括：任務(wù)需求（如運(yùn)載能力、軌道、飛行時(shí)間、任務(wù)持續(xù)時(shí)間）、航天器平臺(tái)能力（質(zhì)量、功率、空間）、發(fā)射場(chǎng)條件、發(fā)射成本、技術(shù)成熟度和可靠性、任務(wù)安全性、環(huán)境適應(yīng)性等。舉例：地球同步轉(zhuǎn)移軌道（GTO）發(fā)射通常使用大推力化學(xué)火箭（如長(zhǎng)征五號(hào)、德?tīng)査蘒V），因?yàn)樗枰獜?qiáng)大的運(yùn)載能力將航天器送入高能量軌道。深空探測(cè)任務(wù)（如旅行者號(hào)）則采用核電推進(jìn)或電推進(jìn)系統(tǒng)，以利用其高比沖特性實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期、遠(yuǎn)距離的飛行。近地軌道的小型任務(wù)可能采用小型化學(xué)火箭或飛輪/離子電推進(jìn)系統(tǒng)，后者成本較低、發(fā)射靈活。十、答案：渦輪泵式液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理：利用燃燒產(chǎn)生的高溫高壓燃?xì)猓ㄈ細(xì)獍l(fā)生器排氣或主燃燒室排氣）驅(qū)動(dòng)渦輪高速旋轉(zhuǎn)，渦輪通過(guò)軸帶動(dòng)燃料泵和氧化劑泵旋轉(zhuǎn)，將推進(jìn)劑從貯箱抽出，加壓后送入燃燒室進(jìn)行燃燒，產(chǎn)生推力。影響渦輪泵