2025年航天競(jìng)賽試題及答案一、單項(xiàng)選擇題（每題3分，共30分）1.地球同步軌道的軌道周期與地球自轉(zhuǎn)周期嚴(yán)格一致，其軌道高度約為（）A.20000公里B.35786公里C.42164公里D.50000公里2.電推進(jìn)系統(tǒng)相比化學(xué)推進(jìn)的主要優(yōu)勢(shì)是（）A.推力大B.比沖高C.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單D.啟動(dòng)速度快3.月球表面的逃逸速度約為（）A.1.2km/sB.2.38km/sC.7.9km/sD.11.2km/s4.火星大氣的主要成分是（）A.氮?dú)猓∟?）B.氧氣（O?）C.二氧化碳（CO?）D.甲烷（CH?）5.霍曼轉(zhuǎn)移軌道是兩個(gè)共面圓軌道之間最省能量的轉(zhuǎn)移方式，其轉(zhuǎn)移軌道的半長(zhǎng)軸等于（）A.兩個(gè)圓軌道半徑的算術(shù)平均B.兩個(gè)圓軌道半徑的幾何平均C.兩個(gè)圓軌道半徑之和的一半D.兩個(gè)圓軌道半徑之積的平方根6.空間站熱控系統(tǒng)中，用于主動(dòng)調(diào)節(jié)溫度的關(guān)鍵部件是（）A.多層隔熱材料（MLI）B.輻射器C.相變材料（PCM）D.導(dǎo)熱熱管7.太陽(yáng)帆推進(jìn)的動(dòng)力來(lái)源是（）A.太陽(yáng)風(fēng)的粒子動(dòng)量傳遞B.太陽(yáng)光壓的光子動(dòng)量傳遞C.太陽(yáng)磁場(chǎng)的電磁力D.太陽(yáng)輻射的熱能轉(zhuǎn)化8.嫦娥六號(hào)任務(wù)中，月面采樣返回的關(guān)鍵步驟不包括（）A.月面軟著陸B(tài).月壤鉆取與封裝C.月面起飛D.火星軌道交會(huì)9.衛(wèi)星在近地軌道運(yùn)行時(shí)，主要受到的非引力攝動(dòng)不包括（）A.大氣阻力B.地球扁率（J?項(xiàng)）C.太陽(yáng)輻射壓D.月球引力10.載人飛船返回地球時(shí)，采用“跳躍式再入”的主要目的是（）A.增加著陸點(diǎn)精度B.降低再入速度C.減少熱流密度D.延長(zhǎng)通信時(shí)間二、填空題（每空2分，共20分）1.齊奧爾科夫斯基公式描述了火箭速度增量與比沖、質(zhì)量比的關(guān)系，其表達(dá)式為Δv=__________。2.國(guó)際空間站（ISS）的軌道傾角約為_(kāi)_________度，以覆蓋更多地面觀測(cè)點(diǎn)。3.深空探測(cè)中，常用__________（儀器）測(cè)量天體的成分，其原理是通過(guò)分析光譜特征。4.月球背面因無(wú)法直接與地球通信，需依賴__________衛(wèi)星（如中國(guó)“鵲橋”）中繼信號(hào)。5.火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖（Isp）定義為_(kāi)_________與推進(jìn)劑質(zhì)量流量的比值，單位為秒。6.小行星防御的“動(dòng)能撞擊”方案中，撞擊器需精確計(jì)算__________（參數(shù)）以改變目標(biāo)軌道。7.衛(wèi)星姿態(tài)控制常用的敏感器包括陀螺、星敏感器和__________（列舉一種）。8.地月轉(zhuǎn)移軌道（TLI）的設(shè)計(jì)需考慮__________（力）的影響，避免航天器被地球引力捕獲。9.載人航天中，環(huán)控生保系統(tǒng)（ECLSS）的核心功能是維持艙內(nèi)__________、濕度和氧氣濃度。10.太陽(yáng)活動(dòng)峰年時(shí)，__________（現(xiàn)象）會(huì)增強(qiáng)，可能干擾航天器電子設(shè)備。三、簡(jiǎn)答題（每題8分，共40分）1.簡(jiǎn)述火星探測(cè)任務(wù)通常選擇“窗口發(fā)射”的原因，并計(jì)算地球與火星的會(huì)合周期（已知地球公轉(zhuǎn)周期T?=365天，火星公轉(zhuǎn)周期T?=687天）。2.月面采樣返回任務(wù)中，為何需要解決“月面起飛”和“月軌交會(huì)對(duì)接”兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)？3.對(duì)比化學(xué)推進(jìn)與電推進(jìn)的適用場(chǎng)景：化學(xué)推進(jìn)適合哪些任務(wù)階段？電推進(jìn)為何更適合深空探測(cè)？4.解釋“軌道共振”現(xiàn)象對(duì)小行星帶分布的影響（以木星與小行星的2:1共振為例）。5.載人登月任務(wù)中，航天員需面臨哪些環(huán)境挑戰(zhàn)？請(qǐng)列舉至少4項(xiàng)并說(shuō)明應(yīng)對(duì)措施。四、計(jì)算題（每題10分，共20分）1.某運(yùn)載火箭采用液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，比沖Isp=330秒，起飛質(zhì)量m?=500噸，推進(jìn)劑質(zhì)量m_p=420噸，計(jì)算該火箭的理論速度增量（取g=9.8m/s2）。2.一顆衛(wèi)星在橢圓軌道上運(yùn)行，近地點(diǎn)高度h_p=200公里，遠(yuǎn)地點(diǎn)高度h_a=35000公里，地球半徑R=6371公里，地球引力常數(shù)μ=3.986×101?m3/s2。求衛(wèi)星在近地點(diǎn)和遠(yuǎn)地點(diǎn)的動(dòng)能差（以焦耳為單位，衛(wèi)星質(zhì)量m=500kg）。五、綜合分析題（20分）2025年，某航天機(jī)構(gòu)計(jì)劃實(shí)施“近地小行星采樣返回+防御驗(yàn)證”任務(wù)，目標(biāo)小行星直徑約50米，軌道與地球軌道存在潛在交點(diǎn)。請(qǐng)結(jié)合當(dāng)前航天技術(shù)，分析該任務(wù)需突破的關(guān)鍵技術(shù)，并設(shè)計(jì)一套包含采樣、軌道測(cè)量、動(dòng)能撞擊驗(yàn)證的任務(wù)流程（要求：技術(shù)分析具體，流程邏輯清晰）。答案及解析一、單項(xiàng)選擇題1.B（地球同步軌道高度約為35786公里，軌道半徑約42164公里，高度需減去地球半徑6371公里）2.B（電推進(jìn)比沖高，可達(dá)1000-10000秒，化學(xué)推進(jìn)通常200-450秒）3.B（月球逃逸速度為√(2GM/R)≈2.38km/s）4.C（火星大氣中CO?占比約96%）5.C（霍曼轉(zhuǎn)移半長(zhǎng)軸a=(r?+r?)/2，r?、r?為兩圓軌道半徑）6.B（輻射器通過(guò)熱輻射主動(dòng)散熱，MLI是被動(dòng)隔熱，PCM用于短期儲(chǔ)能）7.B（太陽(yáng)帆利用光子動(dòng)量傳遞產(chǎn)生推力）8.D（嫦娥六號(hào)目標(biāo)是月球，無(wú)需火星軌道交會(huì)）9.B（地球扁率屬于引力攝動(dòng)，非引力攝動(dòng)包括大氣阻力、太陽(yáng)輻射壓等）10.C（跳躍式再入通過(guò)多次進(jìn)出大氣層降低熱流密度，保護(hù)航天器）二、填空題1.Isp·g·ln(m?/m_f)（m?為初始質(zhì)量，m_f為關(guān)機(jī)質(zhì)量）2.51.6（ISS軌道傾角設(shè)計(jì)為覆蓋俄羅斯發(fā)射場(chǎng)）3.光譜儀（如X射線光譜儀、紅外光譜儀）4.中繼5.推力6.撞擊點(diǎn)速度增量（或Δv需求）7.磁強(qiáng)計(jì)（或紅外地平儀）8.月球引力（或第三體引力）9.氣壓（或壓力）10.太陽(yáng)耀斑（或高能粒子輻射）三、簡(jiǎn)答題1.原因：火星與地球軌道周期不同，只有當(dāng)?shù)厍颉⒒鹦?、太?yáng)近似共線（沖日附近）時(shí)，發(fā)射探測(cè)器可利用最小能量轉(zhuǎn)移軌道（霍曼轉(zhuǎn)移），此時(shí)為發(fā)射窗口。會(huì)合周期T_c=1/(1/T?-1/T?)=1/(1/365-1/687)≈779天（約26個(gè)月）。2.月面起飛：月球無(wú)大氣層，無(wú)法依賴空氣動(dòng)力，需自主設(shè)計(jì)起飛發(fā)動(dòng)機(jī)（推力、姿態(tài)控制）；月面重力場(chǎng)不均勻，需精確制導(dǎo)避免翻倒。月軌交會(huì)對(duì)接：采樣艙需與返回艙在月球軌道（約100公里圓軌道）對(duì)接，軌道精度要求高（相對(duì)位置誤差<1米），且月球背面無(wú)通信時(shí)需自主導(dǎo)航。3.化學(xué)推進(jìn)：適合需要大推力的任務(wù)階段（如火箭起飛、變軌機(jī)動(dòng)、返回再入），因推力大（可達(dá)數(shù)百千牛），能快速改變速度。電推進(jìn)：比沖高（節(jié)省推進(jìn)劑），適合深空探測(cè)（如小行星探測(cè)、星際轉(zhuǎn)移），因任務(wù)時(shí)間長(zhǎng)（數(shù)月至數(shù)年），小推力持續(xù)加速可積累較大速度增量。4.軌道共振指小行星軌道周期與木星軌道周期成整數(shù)比（如2:1）。此時(shí)，木星引力周期性攝動(dòng)小行星，導(dǎo)致其軌道半長(zhǎng)軸逐漸變化，最終被“清空”該區(qū)域（如柯克伍德空隙）。2:1共振時(shí)，小行星每繞太陽(yáng)2圈，木星繞1圈，引力攝動(dòng)疊加，使小行星軌道變得不穩(wěn)定，無(wú)法長(zhǎng)期存在。5.挑戰(zhàn)與措施：（1）月球輻射：無(wú)磁場(chǎng)和大氣屏蔽，宇宙射線強(qiáng)。措施：艙體增加屏蔽材料（如含氫聚合物），航天員穿著防輻射服。（2）極端溫差（-180℃至120℃）：熱控系統(tǒng)采用輻射器+相變材料，月面活動(dòng)時(shí)艙外服集成溫控回路。（3）月塵污染：細(xì)顆粒月塵易附著設(shè)備，影響密封和光學(xué)儀器。措施：艙門(mén)設(shè)計(jì)除塵刷，設(shè)備表面涂覆抗粘附涂層。（4）通信延遲：地月通信延遲約2.5秒，需自主導(dǎo)航系統(tǒng)（如慣性導(dǎo)航+月面信標(biāo)）。四、計(jì)算題1.關(guān)機(jī)質(zhì)量m_f=m?-m_p=500-420=80噸=8×10?kg速度增量Δv=Isp·g·ln(m?/m_f)=330×9.8×ln(500/80)=330×9.8×ln(6.25)≈330×9.8×1.83≈5920m/s（約5.92km/s）2.近地點(diǎn)半徑r_p=R+h_p=6371+200=6571km=6.571×10?m遠(yuǎn)地點(diǎn)半徑r_a=R+h_a=6371+35000=41371km=4.1371×10?m橢圓半長(zhǎng)軸a=(r_p+r_a)/2=(6.571×10?+4.1371×10?)/2≈2.3971×10?m衛(wèi)星總機(jī)械能E=-μ·m/(2a)（與位置無(wú)關(guān)）動(dòng)能K=E+勢(shì)能=E+(-μ·m/r)近地點(diǎn)動(dòng)能K_p=μ·m/(2r_p)（因E=-μ·m/(2a)，勢(shì)能=-μ·m/r_p，故K_p=E-(-μ·m/r_p)=μ·m(1/r_p-1/(2a))）同理，遠(yuǎn)地點(diǎn)動(dòng)能K_a=μ·m/(2r_a)動(dòng)能差ΔK=K_p-K_a=μ·m/2·(1/r_p-1/r_a)代入數(shù)據(jù)：ΔK=3.986×101?×500/2×(1/(6.571×10?)-1/(4.1371×10?))≈1.993×101?×(1.522×10??-2.417×10??)≈1.993×101?×1.280×10??≈2.55×101?J五、綜合分析題關(guān)鍵技術(shù)突破：（1）小行星近距離自主導(dǎo)航：小行星形狀不規(guī)則、引力場(chǎng)弱，需高精度光學(xué)導(dǎo)航（如激光雷達(dá)+可見(jiàn)光相機(jī)）實(shí)時(shí)定位。（2）采樣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)：小行星表面可能為松散碎石（“rubblepile”），需軟著陸采樣（如機(jī)械臂+吸附式采樣頭）避免反彈。（3）軌道精確測(cè)量：需搭載高精度測(cè)軌設(shè)備（如星敏感器+甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量VLBI），獲取小行星軌道參數(shù)誤差<10米。（4）動(dòng)能撞擊器設(shè)計(jì)：需輕量化高速度撞擊器（速度>10km/s），配備自主避障系統(tǒng)（避免撞擊表面凸起物）。（5）再入返回技術(shù)：采樣艙需承受第二宇宙速度再入（~11.2km/s），采用新型燒蝕材料（如碳基復(fù)合材料）。任務(wù)流程設(shè)計(jì)：1.發(fā)射段：長(zhǎng)征九號(hào)運(yùn)載火箭將“探測(cè)-撞擊組合體”送入地火轉(zhuǎn)移軌道（若小行星軌道偏心率大，可能需中途修正）。2.接近段：距離小行星5萬(wàn)公里時(shí)，啟動(dòng)光學(xué)導(dǎo)航，逐步降低相對(duì)速度至0.1m/s，進(jìn)入環(huán)繞軌道（軌道高度500米）。3.采樣段：釋放著陸器，通過(guò)激光測(cè)距和地形匹配軟著陸（速度<0.5m/s），機(jī)械臂伸出采樣頭（鉆取深度0.5米，采集約2kg樣本），封裝后返回組合體。4.軌道測(cè)量段：組合體在小行星軌道運(yùn)行15天，通過(guò)VLBI和多普勒測(cè)速，精確計(jì)算軌道根數(shù)（半長(zhǎng)軸、偏心率、傾角），誤差控制在5米內(nèi)。5.