航天器技术设计及应用练习题

综合试卷第=PAGE1*2-11页（共=NUMPAGES1*22页） 综合试卷第=PAGE1*22页（共=NUMPAGES1*22页）PAGE①姓名所在地区姓名所在地区身份证号密封线1.请首先在试卷的标封处填写您的姓名，身份证号和所在地区名称。2.请仔细阅读各种题目的回答要求，在规定的位置填写您的答案。3.不要在试卷上乱涂乱画，不要在标封区内填写无关内容。一、填空题1.航天器技术设计的主要内容包括__________、__________、__________、__________等。

航天器结构设计

航天器热控制系统设计

航天器推进系统设计

航天器导航与控制系统设计

2.航天器应用领域包括__________、__________、__________、__________等。

科学探测

通信与广播

军事应用

航天运输

3.航天器总体设计需要考虑的因素有__________、__________、__________、__________等。

任务需求

技术可行性

经济性

安全性

4.航天器热控制系统的主要作用是__________、__________、__________、__________。

航天器热平衡

热控制设备的冷却与加热

防热辐射

防冷辐射

5.航天器电源系统的主要功能是__________、__________、__________、__________。

提供稳定的电源

实现电源的转换与调节

管理电源的分配与保护

保证电源系统的可靠性

答案及解题思路：

1.答案：航天器结构设计、航天器热控制系统设计、航天器推进系统设计、航天器导航与控制系统设计。

解题思路：航天器技术设计主要围绕其结构、热控制、推进和导航控制系统进行，这些是保证航天器能够完成预定任务的基础。

2.答案：科学探测、通信与广播、军事应用、航天运输。

解题思路：航天器应用领域广泛，涵盖了科学摸索、信息传输、军事战略和空间运输等多个方面。

3.答案：任务需求、技术可行性、经济性、安全性。

解题思路：航天器总体设计需要综合考虑任务的性质、技术的实现可能性、成本效益以及运行的安全性。

4.答案：航天器热平衡、热控制设备的冷却与加热、防热辐射、防冷辐射。

解题思路：热控制系统是保证航天器在极端温度环境下正常运行的关键，涉及热平衡、热控制设备的管理、辐射防护等方面。

5.答案：提供稳定的电源、实现电源的转换与调节、管理电源的分配与保护、保证电源系统的可靠性。

解题思路：电源系统是航天器工作的能量来源，需保证电源的稳定供应、适应不同负载需求、合理分配和保护电源系统。二、选择题1.下列哪项不属于航天器总体设计阶段的工作？（）

A.航天器总体方案论证

B.航天器子系统方案设计

C.航天器部件级设计

D.航天器试验与评估

2.航天器推进系统的主要特点是__________。（）

A.大推力、高效率

B.高效率、小尺寸

C.大尺寸、高效率

D.小尺寸、大推力

3.航天器热控制系统的主要工作温度范围是__________。（）

A.50℃～50℃

B.200℃～100℃

C.150℃～150℃

D.180℃～120℃

4.航天器电源系统的主要形式是__________。（）

A.太阳能电池

B.化学电池

C.氢氧火箭发动机

D.风能电池

答案及解题思路：

1.答案：D

解题思路：航天器总体设计阶段主要包括方案论证、子系统方案设计和部件级设计等工作。航天器试验与评估属于航天器研制后的阶段，不属于总体设计阶段的工作。

2.答案：A

解题思路：航天器推进系统需要提供足够的推力来使航天器进入轨道或进行变轨，因此其特点是要求大推力。同时为了提高能量效率，推进系统也追求高效率。

3.答案：B

解题思路：航天器在太空中面临极端的温度条件，热控制系统需要覆盖从深空低温到太阳直接照射下的高温，通常这个范围在200℃到100℃之间。

4.答案：A

解题思路：在航天器中，太阳能电池因其重量轻、体积小、能量密度高且无需携带大量化学物质等优点，成为主要的电源形式。化学电池在航天器中也扮演重要角色，但不是主要形式。氢氧火箭发动机是推进系统的一部分，而风能电池在太空中无法使用。三、判断题1.航天器总体设计是航天器设计的核心阶段。（√）

解题思路：航天器总体设计是在综合考虑了航天任务需求、技术可行性、成本等因素后，对航天器的整体布局、结构、功能等进行规划和设计的过程。这一阶段对航天器的成功，因此被认为是核心阶段。

2.航天器推进系统的主要作用是提供航天器飞行所需的动力。（√）

解题思路：推进系统是航天器实现飞行、变轨、制动等动作的关键系统，它通过燃烧燃料产生推力，使航天器能够在太空环境中移动。

3.航天器热控制系统的主要任务是保持航天器内部的温度平衡。（√）

解题思路：热控制系统负责调节航天器内部的温度，保证各个设备和乘员在适宜的温度环境中工作，防止因温度过高或过低而导致的设备故障或乘员健康问题。

4.航天器电源系统的主要功能是向航天器各个子系统提供电能。（√）

解题思路：电源系统是航天器所有子系统的能量来源，它通过转换、存储和分配电能，保证航天器在任务期间各个子系统能够正常运行。

5.航天器制导导航与控制系统的作用是使航天器按照预定轨迹飞行。（√）

解题思路：制导导航与控制系统负责确定航天器的位置、速度和姿态，并通过调整推进系统和其他子系统，使航天器按照预定的轨迹和任务计划飞行。四、简答题1.简述航天器技术设计的基本原则。

答案：

航天器技术设计的基本原则包括：

可靠性原则：保证航天器在各种环境条件下都能正常工作。

安全性原则：防止航天器发生故障，保障宇航员和设备安全。

经济性原则：在满足技术要求的前提下，降低成本。

先进性原则：采用最新的技术，提高航天器的功能和寿命。

标准化原则：采用统一的规格和标准，提高设计和制造的效率。

环境适应性原则：航天器应能适应不同的轨道环境和工作条件。

解题思路：

在回答问题时，首先要明确航天器技术设计的基本原则，然后分别解释每一个原则的具体含义和应用。

2.简述航天器应用领域的分类及各自特点。

答案：

航天器应用领域主要分为以下几类：

科学探测：如月球探测、火星探测等，特点是长期在太空执行探测任务，对数据的准确性要求高。

通信广播：如地球同步轨道通信卫星，特点是覆盖范围广，传输速度快。

导航定位：如全球定位系统（GPS），特点是实时性强，定位精度高。

军事应用：如侦察卫星、卫星通信等，特点是安全性高，信息保密性强。

商业应用：如遥感卫星、气象卫星等，特点是应用广泛，市场需求大。

解题思路：

列出航天器的主要应用领域，并针对每个领域描述其特点，如任务类型、功能要求等。

3.简述航天器总体设计的主要步骤。

答案：

航天器总体设计的主要步骤包括：

需求分析：明确航天器的任务需求和技术指标。

方案论证：提出不同的设计方案，并进行可行性分析。

初步设计：确定航天器的总体结构、布局和系统配置。

详细设计：细化各个系统设计，完成详细的技术规格书。

试验验证：进行地面和飞行试验，验证航天器的功能和可靠性。

解题思路：

列出航天器总体设计的主要步骤，并简要说明每个步骤的内容和目的。

4.简述航天器热控制系统的分类及各自特点。

答案：

航天器热控制系统主要分为以下几类：

主动式热控制系统：通过热泵、热交换器等设备进行热量调节，特点是控制精度高，但设备复杂。

被动式热控制系统：利用航天器本身的材料进行热量散发，特点是结构简单，但控制效果有限。

混合式热控制系统：结合主动式和被动式特点，实现高效的热量管理。

解题思路：

列出航天器热控制系统的分类，并对每种类型的系统进行简要描述，包括其工作原理和特点。

5.简述航天器电源系统的分类及各自特点。

答案：

航天器电源系统主要分为以下几类：

化学电源：如银锌电池、锂离子电池等，特点是能量密度高，但寿命有限。

太阳能电池：利用太阳能转换为电能，特点是可持续供电，但受光照条件影响。

核电源：利用放射性同位素的热能转换为电能，特点是供电时间长，但安全性要求高。

解题思路：

列出航天器电源系统的分类，并对每种类型的电源系统进行描述，包括其工作原理、优缺点和适用场景。五、论述题1.结合航天器技术设计与应用的实际案例，论述航天器热控制系统的设计与实现过程。

a.热控制系统概述

热控制系统的功能与作用

热控制系统在航天器中的重要性

b.热控制系统设计原则

热平衡原则

热传递优化原则

节能环保原则

c.实际案例分析

案例一：某型通信卫星热控制系统设计

设计背景与需求

系统组成与工作原理

关键技术与应用

案例二：某型载人飞船热控制系统设计

设计特点与挑战

系统设计过程

实验验证与优化

d.设计实现过程

需求分析与方案论证

系统设计与计算

关键部件选型与研制

系统组装与试验

系统集成与测试

2.论述航天器电源系统在设计过程中需要注意的关键问题及应对措施。

a.电源系统概述

电源系统在航天器中的作用

电源系统设计的基本要求

b.关键问题分析

能量密度与功率密度匹配

系统稳定性与可靠性

长期工作条件下的功能衰减

环境适应性

c.应对措施

采用高能量密度电池与高效能量转换器

强化系统设计与热控制

实施寿命周期管理

优化布局与散热设计

答案及解题思路：

1.答案：

a.热控制系统概述

热控制系统主要负责航天器内部各部分的热平衡，保证航天器内部的温度环境满足各类设备的工作要求。

热控制系统对于航天器的正常运行和设备寿命。

b.热控制系统设计原则

热平衡原则要求系统设计能够保证航天器内部各部分温度的稳定性。

热传递优化原则要求在设计过程中，通过材料选择、结构优化等手段，最大限度地提高热传递效率。

c.实际案例分析

案例一：某型通信卫星热控制系统设计

设计背景与需求：满足卫星在轨运行中的热平衡需求。

系统组成与工作原理：采用散热片、热管、热交换器等组件，通过热传导、对流和辐射实现热交换。

关键技术与应用：优化散热结构，提高热传递效率。

案例二：某型载人飞船热控制系统设计

设计特点与挑战：在狭小的航天器内部实现复杂的热管理。

系统设计过程：采用模块化设计，实现各部分的热独立管理。

实验验证与优化：通过地面模拟实验，验证系统功能，进行优化调整。

d.设计实现过程

需求分析与方案论证：根据航天器功能和功能要求，分析热控制需求，确定系统设计方案。

系统设计与计算：进行热工分析，确定关键参数，进行系统设计。

关键部件选型与研制：选择高功能的热管理组件，进行研制和生产。

系统组装与试验：完成系统组装，进行地面测试和飞行试验。

系统集成与测试：将热控制系统与其他系统集成，进行综合测试。

2.答案：

a.电源系统概述

电源系统是航天器正常运行的动力来源，对于保障航天器任务的完成。

b.关键问题分析

能量密度与功率密度匹配：选择合适的电源电池和能量转换器，以满足航天器在轨运行的能量需求。

系统稳定性与可靠性：通过系统设计优化，提高电源系统的稳定性和可靠性。

长期工作条件下的功能衰减：采用高功能电池和优化管理系统，减少长期工作条件下的功能衰减。

环境适应性：针对不同环境条件，设计适应性强、抗干扰能力好的电源系统。

c.应对措施

采用高能量密度电池与高效能量转换器：提高能量密度和转换效率。

强化系统设计与热控制：优化系统布局，提高散热功能。

实施寿命周期管理：对电池进行定期维护和功能监控。

优化布局与散热设计：合理设计电源系统布局，保证散热效果。六、计算题1.计算航天器热控制系统所需的热量交换面积

题目内容：

某型号航天器在地球轨道上运行，其表面吸收的热量Q为2,000,000kJ，为了保持航天器表面的温度稳定，需要设计一个热控制系统。已知热交换器的传热效率η为0.8，航天器表面平均温度与空间平均温度的温差ΔT为200℃，传热系数K为30W/m²·K，计算所需的热量交换面积A（m²）。

答案：

\[A=\frac{Q}{\eta\cdotK\cdot\DeltaT}\]

\[A=\frac{2000000\,\text{kJ}}{0.8\cdot30\,\text{W/m²·K}\cdot200\,\text{°C}}\]

\[A=500\,\text{m²}\]

解题思路：

此题需要计算的是在特定传热条件下，航天器热控制系统所需的热交换面积。我们通过热量交换公式和已知的传热效率、温差及传热系数来计算。

2.计算航天器电源系统的电能输出功率

题目内容：

某航天器采用太阳能电池板作为电源，太阳能电池板的最大功率输出为4kW，电池效率为0.85，航天器的能耗为3kW，考虑20%的能源损失，计算该航天器电源系统的电能输出功率。

答案：

\[P_{\text{output}}=P_{\text{max}}\cdot\etaP_{\text{loss}}\]

\[P_{\text{output}}=4\,\text{kW}\cdot0.850.20\cdot3\,\text{kW}\]

\[P_{\text{output}}=3.4\,\text{kW}0.6\,\text{kW}\]

\[P_{\text{output}}=2.8\,\text{kW}\]

解题思路：

此题考查了电源系统电能输出功率的计算，涉及到最大功率输出、电池效率和能源损失率等因素。

3.计算航天器推进系统的推进剂消耗量

题目内容：

某航天器在太空旅行过程中进行机动操作，总消耗推进剂的质量m为400kg，平均每公斤推进剂的推力F为4,000N，推进剂的总比冲Isp为240s，计算航天器推进剂消耗量。

答案：

\[m=\frac{F\cdott}{I_{sp}}\]

\[m=\frac{4000\,\text{N}\cdott}{240\,\text{s}}\]

\[m=\frac{4000}{240}\,\text{kg}\]

\[m=16.67\,\text{kg}\]

解题思路：

此题通过比冲的概念来计算推进剂的消耗量，需要知道每公斤推进剂的推力和总比冲。

4.计算航天器制导导航与控制系统的导航精度

题目内容：

某航天器制导导航与控制系统在空间任务中的定位精度要求为100m，已知卫星信号的传输时间为1秒，信号传播速度v为3.0×10^5km/s，计算该系统的导航精度。

答案：

\[\text{定位精度}=v\cdott\]

\[\text{定位精度}=3.0\times10^5\,\text{km/s}\cdot1\,\text{s}\]

\[\text{定位精度}=3.0\times10^5\,\text{km}\]

\[\text{定位精度}=300,000\,\text{m}\]

解题思路：

此题通过卫星信号的传播速度和传播时间来计算导航精度，需要将距离单位统一。

5.计算航天器通信系统的通信距离

题目内容：

某航天器通信系统使用S波段，频率f为2GHz，已知天线增益G为40dB，地球曲率和大气吸收等因素导致信号衰减α为0.6dB/km，计算该通信系统的理论通信距离D（km）。

答案：

\[G_{\text{linear}}=10^{G/10}\]

\[D=\frac{G_{\text{linear}}}{α}\]

\[D=\frac{10^{40/10}}{0.6}\]

\[D\approx\frac{10^4}{0.6}\]

\[D\approx16,667\,\text{km}\]

解题思路：

此题涉及到天线增益的计算以及通信距离的计算，需要将增益从dB转换成线性值，然后根据衰减率计算通信距离。七、问答题1.航天器技术设计在航天事业中具有什么重要性？

解题思路：

保证航天任务的顺利完成

提高航天器的可靠性和安全性

满足不同任务需求

促进航天技术发展

答案：

航天器技术设计在航天事业中具有以下重要性：

（1）保证航天任务的顺利完成，通过科学合理的设计，使得航天器能够在预定轨道上运行，完成科学实验、资源探测等任务。

（2）提高航天器的可靠性和安全性，良好的设计能够降低故障风险，保证航天员和任务的安全。

（3）满足不同任务需求，航天器设计需要根据不同的任务目标，如通信、遥感、科学实验等，进行个性化定制。

（4）促进航天技术发展，不断创新的航天器设计推动相关领域的科技进步。

2.航天器应用领域的发展趋势是什么？

解题思路：

深空探测

商业航天

航天器多样化

资源开发与利用

答案：

航天器应用领域的发展趋势包括：

（1）深空探测：技术进步，未来航天器将向月球、火星等深空目标进发，进行科学研究。

（2）商业航天：商业卫星和火箭市场将继续扩大，商业航天服务成为航天产业的重要部分。

（3）航