2025年大学《空间科学与技术》专业题库-航天器轨道控制的姿态调整

2025年大学《空间科学与技术》专业题库——航天器轨道控制的姿态调整考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。下列每小题选项中，只有一项符合题意，请将正确选项的字母填在题后的括号内。）1.在航天器轨道控制中，改变航天器速度的大小和方向，使其从一个轨道转移到另一个轨道的过程称为（）。A.轨道维持B.轨道机动C.轨道转移D.交会对接2.对于地球同步转移轨道，其远地点高度通常接近（）。A.月球平均距离B.地球静止轨道高度C.太阳系平均距离D.海平面高度3.在航天器姿态控制中，利用地球自转来改变航天器姿态的方法称为（）。A.自旋稳定B.反作用飞轮控制C.太阳敏感器控制D.惯性飞轮控制4.下列哪种传感器主要用于测量航天器相对于太阳的方向？（）A.星敏感器B.磁力矩器C.太阳敏感器D.陀螺仪5.在航天器姿态动力学中，描述航天器姿态运动的二阶常系数线性微分方程组通常称为（）。A.哈密顿方程B.拉格朗日方程C.欧拉动力学方程D.开普勒方程6.对于小型航天器，常采用（）进行姿态稳定。A.反作用飞轮B.磁力矩器C.燃气喷射喷嘴D.液体推进器7.航天器轨道控制中最常用的方法是（）。A.脉冲机动B.连续机动C.阶梯式机动D.摆动式机动8.地球静止轨道卫星相对于地球表面的运动周期为（）。A.90分钟B.180分钟C.24小时D.365天9.姿态机动过程中，为了保证航天器姿态的连续性，通常采用（）。A.突变机动B.有限转角机动C.无限转角机动D.脉冲机动10.航天器轨道控制的目的是（）。A.增加航天器的质量B.减少航天器的质量C.改变航天器的能量状态D.增加航天器的功率二、填空题（每空1分，共15分。请将正确答案填在题中的横线上。）1.航天器轨道控制的主要手段是改变航天器的________。2.霍曼转移轨道是一种________的轨道转移方式。3.姿态动力学研究航天器________的运动规律。4.常用的航天器姿态测量坐标系有________、________和________。5.磁力矩器利用地球磁场产生________，对航天器进行姿态控制。6.轨道机动的能量消耗通常用________来衡量。7.航天器姿态调整的目的是使航天器的________与预定指向一致。8.姿态控制系统通常由________、________和________三部分组成。9.轨道维持是指定期对航天器进行________，以保持其预定轨道。10.航天器轨道控制中，Δv表示航天器进行轨道机动所需要的________。三、计算题（每小题10分，共30分。请写出详细的计算过程和结果。）1.一颗质量为500kg的航天器在距离地球表面1000km的圆形停泊轨道上运行，求其运行速度和周期。（地球半径为6371km，地球引力常数为3.986×10^14m^3/s^2）2.一颗航天器要从圆形低地球轨道（LEO）进入地球静止轨道（GEO），需要进行霍曼转移。假设LEO高度为500km，GEO高度为35786km，求霍曼转移所需的总Δv。3.一颗航天器需要从姿态指向为赤道面负X轴方向调整到赤道面正Y轴方向，转角为90度。假设航天器的转动惯量为Ixx=100kg·m^2，Iyy=150kg·m^2，Izz=120kg·m^2，且初始角速度和最终角速度均为零。求执行此姿态机动所需的角动量。四、简答题（每小题8分，共32分。请简要回答下列问题。）1.简述变轨原理，并说明如何通过变轨实现航天器轨道的抬高。2.比较飞轮式姿态控制器和燃气喷射式姿态控制器的优缺点。3.简述星敏感器的工作原理及其在航天器姿态确定中的作用。4.解释什么是轨道维持，并说明轨道维持的必要性。五、论述题（15分。请结合所学知识，回答下列问题。）1.设计一个航天器的轨道机动和姿态调整任务，使其从近地轨道（高度500km）出发，经过地球同步转移轨道，最终到达地球静止轨道，并对地静止。请简要说明该任务的轨道控制策略和姿态控制策略，并分析可能遇到的技术挑战。试卷答案一、选择题1.B2.B3.A4.C5.C6.B7.B8.C9.B10.C二、填空题1.速度2.最短时间3.姿态4.转动体坐标系、惯性坐标系、地心坐标系5.控制力矩6.燃料消耗7.转动惯量8.姿态敏感元件、姿态控制执行机构、姿态控制计算机9.轨道机动10.速度增量三、计算题1.解：航天器在停泊轨道上的轨道半径r=6371km+1000km=7371km。运行速度v=sqrt(GM/r)=sqrt(3.986e14/7371000)≈7648m/s。运行周期T=2πr/v=2π*7371000/7648≈6079s。答：运行速度约为7648m/s，运行周期约为6079秒。2.解：LEO轨道半径r1=6371km+500km=6871km，GEO轨道半径r2=6371km+35786km=42157km。霍曼转移远地点速度vAp=sqrt(GM/r1)*(sqrt(2r2/(r1+r2))-1)≈1019m/s。霍曼转移近地点速度vP=sqrt(GM/r2)*(1+sqrt(2r1/(r1+r2)))≈1029m/s。Δv1=vAp-sqrt(GM/r1)≈1019-7648≈-6629m/s。Δv2=sqrt(GM/r2)-vP≈1029-4539≈-3510m/s。总Δv=|Δv1|+|Δv2|≈6629+3510=10139m/s。答：霍曼转移所需的总Δv约为10139m/s。3.解：根据欧拉动力学方程，执行姿态机动所需的角动量h=sqrt(Ixx*Iyy*Izz*ωx^2+Iyy*Izz*ωy^2+Izz*Ixx*ωz^2)。由于初始和最终角速度均为零，且转轴沿x轴和y轴，ωx=sqrt(90*150*120*1^2)/sqrt(100*150*120)=30sqrt(2)kg·m^2/s。答：执行此姿态机动所需的角动量约为42.43kg·m^2/s。四、简答题1.解：变轨原理基于航天器总能量守恒。通过发动机喷射燃气，改变航天器的速度矢量，从而改变其机械能。当航天器加速时，其轨道能量增加，轨道变为椭圆或更高能量的轨道；当航天器减速时，其轨道能量减少，轨道变为椭圆或更低能量的轨道。抬高轨道需要航天器在远地点加速，使其总能量大于原来圆形轨道的能量。2.解：飞轮式姿态控制器优点是：无磨损、寿命长、功耗低、无污染、可实现高精度稳定。缺点是：转动惯量有限、控制范围受限、启动时间长、结构复杂。燃气喷射式姿态控制器优点是：控制范围大、响应速度快、可实现大角度机动。缺点是：有磨损、寿命短、功耗高、有污染、控制精度相对较低。3.解：星敏感器通过拍摄恒星图像，并利用已知的恒星位置信息来确定航天器的姿态。其工作原理包括：星光采集、成像、星光探测、图像处理、星图识别、姿态解算等步骤。星敏感器在航天器姿态确定中作用是：提供高精度的姿态参考信息，用于姿态控制系统的反馈控制。4.解：轨道维持是指定期对航天器进行轨道机动，以补偿轨道衰减、保持航天器在预定轨道上运行的过程。轨道维持的必要性在于：地球大气层、太阳辐射压力、地球非球形引力等因素会造成航天器轨道的衰减，使其逐渐偏离预定轨道。通过定期进行轨道机动，可以补偿轨道衰减，保持航天器在预定轨道上运行，确保其完成预定任务。五、论述题1.解：该航天器任务分为三个阶段：近地轨道到地球同步转移轨道的转移阶段、地球同步转移轨道的变轨阶段、地球静止轨道的保持阶段。轨道控制策略：1.转移阶段：采用霍曼转移轨道，从近地轨道的远地点进行加速，进入地球同步转移轨道。2.变轨阶段：在地球同步转移轨道的远地点进行加速，将航天器变轨到地球静止轨道。3.保持阶段：定期进行轨道机动，补偿轨道衰减，保持航天器在地球静止轨道上运行。姿态控制策略：1.转移阶段：采用三轴稳定方式，保持航天器对地定向或太阳定向。2.变轨阶段：采用自旋稳定或磁力矩器控制，简化姿态控制需求。3.保持