2025年中小学生航空航天科普知识竞赛试题解析及答案

2025年中小学生航空航天科普知识竞赛试题解析及答案一、单项选择题（每题2分，共30分）1.2024年11月，我国首颗以中小学生命名并参与设计的科普卫星“少年星一号”在酒泉发射升空，其轨道类型属于A.地球静止轨道 B.太阳同步轨道 C.极地轨道 D.闪电轨道答案：B解析：太阳同步轨道可使卫星每天在同一地方时过境，方便中小学生对比地面观测数据，故选B。2.火箭发射倒计时10秒时，液氧煤油发动机预冷管路发出“咔嗒”声，其主要原因是A.涡轮泵启动 B.舱段间爆炸螺栓解锁 C.低温阀芯热胀冷缩 D.箭体纵向模态共振答案：C解析：液氧温度−183℃，阀芯由常温骤冷收缩，配合间隙瞬间变化产生金属撞击声，属正常现象。3.航天员在轨进行“太空打水漂”实验，水滴呈完美球形，其主导物理因素是A.表面张力 B.科里奥利力 C.马格努斯力 D.静电力答案：A解析：微重力环境下，表面张力远大于重力，液体趋向最小表面积——球体。4.火星探测器“天问三号”采用“空中吊车”方式着陆，该技术的原创灵感最早来源于A.阿波罗登月舱 B.美国“好奇号” C.苏联“火星3号” D.欧空局“猎兔犬2号”答案：B解析：“空中吊车”由NASA“好奇号”2012年首创，通过缆绳悬降火星车，避免发动机扬尘掩埋设备。5.在海拔4500米高原发射探空火箭，其理论比冲相较海平面A.提高约3% B.降低约3% C.提高约12% D.基本不变答案：A解析：高原大气背压低，喷管膨胀比更匹配，推力略增，比冲提高约3%。6.国际空间站每90分钟绕地球一圈，航天员一天可观赏到A.8次日出 B.12次日出 C.16次日出 D.24次日出答案：C解析：24小时÷1.5小时=16圈，每圈一次日出，共16次。7.关于“引力弹弓”描述正确的是A.航天器被行星引力永久加速 B.行星公转速度减小 C.航天器速度方向改变且能量守恒 D.仅适用于内行星答案：C解析：引力弹弓借助行星公转动能，航天器速度矢量改变，总能量守恒，行星速度减小量极微可忽略。8.我国“嫦娥七号”任务将携带首台“跳跃器”登陆月球南极，其跳跃动力来源于A.压缩弹簧 B.小型固体火箭 C.液氧甲烷发动机 D.太阳能加热氦气答案：B解析：跳跃器采用多次点火固体火箭，每跳约百米，跨越阴影区寻找水冰。9.飞机翼梢小翼主要削弱A.激波阻力 B.压差阻力 C.诱导阻力 D.摩擦阻力答案：C解析：翼梢涡是诱导阻力根源，小翼阻断涡流，降低诱导阻力约5%。10.在Kármán线（100km）以上，飞行器转向不再需要A.气动舵面 B.反作用控制系统 C.推力矢量 D.飞轮答案：A解析：Kármán线附近大气密度仅为海平面百万分之一，气动舵面失效，依赖RCS或推力矢量。11.火箭贮箱采用“瓜瓣”整体成型工艺，其最大优点是A.减少焊缝 B.提高材料硬度 C.降低密度 D.增加热导率答案：A解析：整体旋压减少环向焊缝80%，大幅降低泄漏风险。12.航天员出舱前吸氧排氮，主要预防A.减压病 B.氧中毒 C.高碳酸血症 D.航空性中耳炎答案：A解析：舱外服压力仅30kPa，溶于血液的氮气会逸出形成气泡，导致减压病。13.关于“黑障”说法正确的是A.仅出现在返回舱再入段 B.等离子鞘厚度与速度成反比 C.频率越高穿透能力越强 D.持续整个再入过程答案：C解析：等离子体频率与电子密度平方根成正比，采用Ka波段或激光通信可缩短黑障时间。14.卫星热控“热管”内部工质常用A.液氦 B.氨 C.液氢 D.水银答案：B解析：氨在−40℃至60℃区间汽化潜热大，兼容铝制热管，空间应用成熟。15.2025年计划发射的“巡天”空间望远镜与“哈勃”相比，其视场面积约A.相等 B.1/3 C.300倍 D.3000倍答案：C解析：“巡天”采用离轴三镜设计，视场1.1×1.2平方度，是哈勃超深场300倍，适合大规模巡天。二、判断题（每题1分，共10分，正确打“√”，错误打“×”）16.火箭发射时底部冒出的棕红色烟雾是四氧化二氮泄漏。答案：×解析：棕红色烟雾为NO₂，是四氧化二氮与潮湿空气反应产物，并非纯泄漏。17.卫星太阳翼在阴影区会自动收拢以减少热损失。答案：×解析：太阳翼固定展开，阴影区靠蓄电池供电，收拢机构复杂且增加质量，无此设计。18.国际空间站美国舱段厕所利用风扇产生负压吸走排泄物。答案：√解析：微重力下无自然沉降，风扇产生1.5m/s气流引导排泄物进入密封袋。19.月球昼夜温差达300℃，主要原因是没有大气层与海洋调节。答案：√解析：月表无大气、无液态水，热容小，白天127℃、夜晚−173℃，差值300℃。20.飞机超声速飞行时音爆强度与飞机颜色有关。答案：×解析：音爆取决于激波强度，与颜色无关。21.火星大气中二氧化碳占95%，因此可用“萨巴蒂尔”反应制取甲烷燃料。答案：√解析：CO₂+4H₂→CH₄+2H₂O，该反应已在国际空间站验证，可为返程提供推进剂。22.火箭级间分离采用“火工品”切割，其优点是无碎片污染。答案：×解析：火工品产生大量铝氧化物颗粒，对光学载荷存在污染风险，新一代火箭改用线性聚能切割。23.航天员在轨测量质量利用的是牛顿第二定律F=ma。答案：√解析：通过已知弹性系数产生恒定力，测加速度即可得质量，避免微重力下秤失效。24.地球静止轨道卫星必须位于赤道平面，否则将形成“8”字漂移。答案：√解析：轨道倾角≠0时，地面投影为日行“8”字，无法固定。25.空间碎片“凯斯勒综合征”指碎片密度达到链式碰撞阈值。答案：√解析：1978年NASA科学家凯斯勒提出，碎片相互撞击产生更多碎片，形成级联效应。三、填空题（每空2分，共20分）26.我国新一代载人飞船试验船返回舱采用“____”外形，升阻比达到0.5，实现二次再入减速。答案：倒锥+球冠解析：倒锥设计利用中心体激波与肩部膨胀波耦合，提高升力，降低峰值过载。27.火箭液氧涡轮泵转速可达____rpm，叶轮顶端线速度超过音速的____倍。答案：60000；2解析：高压补燃循环涡轮泵转速极高，叶轮外径0.3m时，线速度约630m/s，为音速1.9倍，取整2倍。28.卫星导航三球交汇定位需至少____颗卫星，若考虑钟差则需____颗。答案：3；4解析：三维位置+接收机钟差共4未知数，需4颗卫星方程组求解。29.火星窗口期每____个月出现一次，利用____轨道最节省燃料。答案：26；霍曼解析：地球与火星会合周期780天≈26个月，霍曼转移椭圆与两行星轨道相切，Δv最小。30.飞机机翼“超临界翼型”通过____延迟激波产生，降低____阻力。答案：上表面平坦；波解析：超临界翼型上表面平坦，降低超音速区压力梯度，推迟强激波，减小波阻。31.空间站“再生式环境控制”可将尿液蒸馏回收为饮用水，回收率约____%，每天为每名航天员提供____L水。答案：85；1.2解析：NASAECLSS系统实测数据，85%回收率，每人每天1.2L，其余由货运飞船补给。32.火箭垂直回收“蚱蜢跳”试验中，栅格舵在____段展开，通过____力矩实现姿态控制。答案：再入；气动解析：栅格舵在70km高度展开，利用稀薄大气产生气动扭矩，调整攻角。33.月球南极“永昼峰”可提供连续光照，其最大连续无阴影时间可达____地球日。答案：200解析：月球自转轴倾角1.5°，南极永昼峰在夏至前后连续光照约200天。34.空间望远镜“遮阳罩”工作温度需低于____K，才能抑制红外背景噪声。答案：50解析：韦伯望远镜遮阳罩5层，最冷层达40K，黑体辐射峰值波长移至红外外，降低干扰。35.火箭发射场通常建在____方向临海，利用地球自转____速度增量。答案：东；线解析：向东发射可利用地球自转线速度约465m/s×cos纬度，节省推进剂。四、计算题（共20分，需写出关键步骤）36.某型探空火箭起飞质量1200kg，其中推进剂900kg，发动机平均推力15kN，比冲260s，忽略气动阻力与重力损失，求：（1）理论速度增量Δv；（2）最大飞行高度H。（g取9.8m/s²）解：（1）齐奥尔科夫斯基公式Δv=Isp·g₀·ln(m₀/mk)=260×9.8×ln(1200/300)=2548×ln4≈2548×1.386≈3532m/s（2）能量守恒：发动机做功全部转化为动能与势能½Δv²=gH→H=Δv²/(2g)=3532²/(2×9.8)≈1.25×10⁷/19.6≈6.4×10⁵m答案：Δv≈3.53km/s；H≈640km解析：实际高度因阻力、重力损失会降至500km左右，理论值供对比。37.地球静止轨道卫星质量2500kg，采用离子推进器，比冲4000s，推力245mN，寿命15年，每年位保与轨控共需Δv=50m/s，求所需推进剂质量。解：总Δv=50×15=750m/s离子推进：Δv=Isp·g₀·ln(m₀/mk)750=4000×9.8×ln(2500/mk)ln(2500/mk)=750/39200≈0.01912500/mk=e^0.0191≈1.0193mk≈2500/1.0193≈2453kg推进剂mp=2500−2453=47kg答案：约47kg解析：离子推进比冲高，工质消耗远低于化学推进，仅需总质量1.9%。五、综合应用题（共20分）38.阅读材料：2026年，我国将实施“小行星取样返回”任务，目标天体2016HO₃，直径约40m，自转周期28分钟，轨道半长轴1.001AU，近日点0.89AU，远日点1.11AU，轨道倾角8°。探测器拟采用“触碰采样起飞”模式，采样时间≤3秒，采样质量≥100g。（1）判断2016HO₃属于哪类小行星，并说明其轨道特征对任务有利与不利因素。（4分）（2）计算探测器从地球出发的C3能量（km²/s²），并给出发射窗口月份。（4分）（3）简述28分钟快速自转对采样机构提出的两项技术挑战，并提出解决措施。（6分）（4）若采样后样品密封舱以11.2km/s再入地球，估算其峰值过载（g），并说明如何降低过载。（6分）答案与解析：（1）2016HO₃为阿波罗型近地小行星，轨道与地球相似，可借地球引力多次弹弓，降低Δv；不利因素：轨道偏心率0.11，交会速度变化大，需大推力深空机动。（2）C3=v∞²，最佳窗口为地球与该小行星夹角30°时，利用porkchop图得C3≡10km²/s²，对应发射月份为2036年7月。（3）挑战：①离心加速度使星表松散颗粒外逸，采样头难以收拢；②自转轴进动导致着陆点光照变化快。措施：①采样头内置“负压涡旋”收集器，3秒内形成局部低压，颗粒随气流进入腔体；②采用“三足随动”着陆架，实时调整足垫长度，保持采样面水平，误差<2°。（4）再入速度11.2km/s，与传统返回式卫星7.9km/s相比，动能翻倍。峰值过载a=v²/(2gH)，取H=70km（稠密大气起始），a≈(11200)²/(2×9.8×70000)≈90g。降低措施：①采用“跳跃式”再入，首次再入以25°攻角进入，利用升力跳出大气，耗散能量后二次再入，可将峰值降至35g；②增加气动裙边，提高阻力面积，使过载平台化，延长减速时间。六、连线题（每线1分，共10分）39.将左侧技术与右侧应用连线A.栅格舵     1.月球夜间生存B.斯特林发电机  2.火箭垂直回收C.气动铆接    3.超声速客机D.热解石墨格栅  4.卫星散热E.可变几何进气道 5.火星车除尘答案：A2 B1 C3 D4 E5解析：栅格舵用于火箭再入姿态控制；斯特林发电机利用放射性同位素，月夜连续供电；气动铆接用于钛合金超声速机体，避免热胀冷缩松动；热解石墨格栅高导热，用于卫星热管辐射器；可变几何进气道调节激波位置，为火星直升机发动机防尘。七、简答题（共40分）40.为什么火箭发射前15分钟禁止加注液氢？（6分）答案：液氢温度20K，易挥发，与空气混合形成4%–75%爆炸区间；15分钟倒计时后，箭体电缆、连接器处于脱落状态，静电或火花风险高；推迟加注可减少蒸发量，降低贮箱压力，避免安全阀频繁开启导致氢气聚集。41.国际空间站舱段对接“软对接”与“硬对接”区别？（6分）答案：软对接通过导向瓣与捕获锁实现初连，相对速度0.05–0.1m/s，允许六自由度误差±10cm、±5°；硬对接在软对接后拉回，通过12根预紧螺栓施加30kN轴向力，压缩金属密封圈，形成气密连接，漏气率<10⁻⁶Pa·m³/s。42.火星大气进入段“伞降+反推”与“全反推”方案优劣对比。（