2025年全国青少年航天创新大赛（航天知识问答）经典试题及答案

2025年全国青少年航天创新大赛（航天知识问答）经典试题及答案1.我国于哪一年成功发射了第一颗人造地球卫星“东方红一号”？此次发射使用的运载火箭名称是什么？该卫星在轨运行期间主要播放了什么乐曲？此次成功发射标志着我国成为世界上第几个独立研制并发射人造卫星的国家？A.1970年4月24日；“长征一号”；《东方红》乐曲；第五个。B.1971年4月24日；“长征一号”；《义勇军进行曲》乐曲；第五个。C.1970年4月24日；“长征二号”；《东方红》乐曲；第四个。D.1971年4月24日；“长征三号”；《东方红》乐曲；第四个。答案：A解析：1970年4月24日，我国第一颗人造地球卫星“东方红一号”由“长征一号”运载火箭在酒泉卫星发射中心成功发射。卫星在轨期间，通过短波发射系统反复播送《东方红》乐曲。此次成功发射使中国成为继苏联、美国、法国、日本之后世界上第五个独立研制并发射人造卫星的国家。2.中国载人航天工程“三步走”发展战略中，第三步的任务目标是什么？该目标的核心组成部分，即长期在轨运行、可供航天员长期驻留并进行大规模空间科学实验的载人航天设施被称为什么？我国首个成功发射并完成在轨建造的该类型设施是哪一个？A.实现航天员出舱活动、航天器空间交会对接；空间实验室；天宫一号。B.建造空间站，解决有较大规模的、长期有人照料的空间应用问题；空间站；天宫空间站。C.掌握载人天地往返技术；载人飞船；神舟五号飞船。D.验证航天员在轨中长期驻留技术；空间站；天宫二号。答案：B解析：中国载人航天工程“三步走”发展战略中，第三步的任务目标是建造空间站，解决有较大规模的、长期有人照料的空间应用问题。其核心是建造长期在轨运行的空间站。我国首个成功发射并完成在轨建造的空间站是中国空间站，其基本构型由天和核心舱、问天实验舱、梦天实验舱组成。3.在航天器轨道动力学中，描述天体运动规律的开普勒三大定律是基础。其中，开普勒第二定律（面积定律）的数学表达式通常如何描述？该定律揭示了航天器在椭圆轨道上运行时，哪两个物理量之间的关系？A.=常B.̇θC.对于任意行星，它与太阳的连线在相等的时间间隔内扫过的面积相等；向径（矢径）在单位时间内扫过的面积（面积速度）。D.行星绕太阳公转周期的平方与其轨道半长轴的立方成正比；周期与轨道尺寸。答案：C解析：开普勒第二定律，也称为面积定律，其表述为：在相等的时间内，行星与太阳的连线所扫过的面积相等。其数学本质是角动量守恒，即̇θ=h4.月球探测是深空探测的重要起点。我国嫦娥系列月球探测工程规划了“绕、落、回”三步走战略。其中，首次实现月球软着陆和月面巡视勘察的是哪次任务？该任务中，释放的月球车被命名为什么？首次实现从月面采样并返回地球的是哪次任务？A.嫦娥三号；玉兔号月球车；嫦娥五号。B.嫦娥四号；玉兔二号月球车；嫦娥五号。C.嫦娥一号；无月球车；嫦娥三号。D.嫦娥二号；无月球车；嫦娥四号。答案：A解析：嫦娥三号任务于2013年12月成功实施，实现了中国首次地外天体软着陆和月面巡视勘察，其释放的月球车名为“玉兔号”。嫦娥五号任务于2020年成功实施，实现了中国首次地外天体采样返回，从月球正面风暴洋北部吕姆克山地区采集并带回了约1731克月球样品。5.运载火箭的推力是决定其运载能力的关键。对于单台液体火箭发动机，其海平面推力F的计算公式通常涉及哪些关键参数？请写出计算公式。若某发动机海平面比冲为300秒，推进剂质量流量̇m为250千克/秒，标准海平面重力加速度取9.80665m/s²，请计算其海平面推力约为多少千牛（kN）？A.F=B.F=C.F=̇mD.F=答案：B解析：液体火箭发动机的推力计算公式为F=·̇m·，其中为比冲（单位：秒），̇m6.航天器在轨运行期间，姿态控制系统至关重要。请列举三种常见的航天器姿态控制执行机构，并简要说明其中一种（陀螺除外）的基本工作原理。答案：三种常见的航天器姿态控制执行机构是：反作用飞轮、控制力矩陀螺（CMG）、推力器（喷气执行机构）。以反作用飞轮为例：其基本工作原理是基于角动量守恒定律。飞轮是一个高速旋转的转子。当航天器需要向某个方向调整姿态时，通过电机驱动飞轮加速或减速旋转。根据作用力与反作用力原理，飞轮转子角动量的变化会产生一个反作用力矩作用在航天器本体上，从而推动航天器朝相反方向旋转，实现姿态调整。飞轮通常用于提供精确、连续的小力矩控制。7.国际空间站（ISS）是一个由多个国家合作建造和运行的大型在轨空间实验室。请说出参与国际空间站建设的五个主要国家或地区组织。国际空间站运行在什么样的轨道上？其轨道高度和倾角大致是多少？答案：参与国际空间站建设的主要伙伴包括：美国（NASA）、俄罗斯（Roscosmos）、欧洲（欧空局，ESA）、日本（JAXA）、加拿大（CSA）。国际空间站运行在近地轨道（LEO）。其典型的轨道高度大约在400公里左右（通常在370公里至460公里之间波动，通过定期推进提升轨道）。轨道倾角约为51.6度。这个倾角的选择主要是为了便于从俄罗斯位于哈萨克斯坦的拜科努尔发射场发射的运载器能够抵达。8.航天员在空间站长期生活，面临微重力环境的挑战。请阐述微重力环境可能对航天员身体健康造成的三种主要影响，并说明目前为对抗其中一种影响所采取的主要防护措施。答案：微重力环境对航天员身体健康的主要影响包括：（1）肌肉萎缩和力量下降：由于无需对抗重力维持姿态和运动，肌肉负荷减小，导致肌肉质量流失和力量减弱。（2）骨密度丢失（骨质疏松）：骨骼承受的力学刺激减少，导致破骨细胞活动增强，骨吸收大于骨形成，钙质流失，骨密度下降。（3）体液头向转移和心血管功能改变：在地球上，重力使体液向下肢聚集。在太空，体液均匀分布并向头部、胸部转移，导致面部浮肿、鼻塞，同时可能引起心脏结构和功能的变化。对抗措施举例（以对抗肌肉萎缩和骨丢失为例）：主要防护措施是进行严格的在轨体育锻炼。航天员每天需花费约2小时使用特制的健身设备进行锻炼，例如：使用跑步机（通常配有弹性束缚带模拟重力负荷）。使用抗阻锻炼装置（如AdvancedResistiveExerciseDevice,ARED），通过真空缸和飞轮提供类似地面举重、深蹲的阻力。使用自行车功量计进行有氧运动。这些锻炼旨在对骨骼和肌肉施加机械应力，刺激其维持功能，减缓萎缩和流失速度。同时，辅以合理的营养摄入（如充足的钙、维生素D和蛋白质）和药物干预。9.太阳系八大行星中，按照离太阳由近及远的顺序，请正确排列。其中，被称为“类地行星”的是哪几颗？它们的主要共同特征是什么？答案：顺序为：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。类地行星包括：水星、金星、地球、火星。它们的主要共同特征是：主要由岩石和金属构成，密度较大，体积和质量相对较小，表面有固体外壳，卫星数量少或无，没有行星环系统（地球和火星目前没有显著的行星环）。10.航天器热控制系统的主要任务是什么？请简述航天器在轨运行时面临的主要外热流来源。为了维持航天器内部仪器设备在适宜的温度范围内，热控系统通常采用哪两种基本的热控制方法？并各举一个具体技术手段。答案：航天器热控制系统的主要任务是：在航天器飞行全过程的各种复杂外热流和内部热源变化的条件下，通过合理的综合热控制措施，使航天器各部件、仪器设备和航天员所处的环境温度保持在要求的范围内。主要外热流来源：（1）太阳直接辐射；（2）地球反照（太阳辐射被地球反射的部分）；（3）地球红外辐射（地球自身发出的热辐射）。两种基本热控制方法及技术手段：（1）被动热控制：主要依靠材料的热物理性质以及部件间的合理布局和设计来管理热量，无需消耗电能或运动部件。例如：使用多层隔热材料（MLI）包裹在航天器外部或设备周围，通过高反射外屏和低导热间隔层，极大地减少辐射漏热，起到“太空毯”的保温作用。（2）主动热控制：需要消耗能量或通过运动部件来主动调节热量。例如：使用热控百叶窗。百叶窗叶片表面涂有不同发射率的涂层，通过温度敏感元件（如双金属弹簧）或电机控制叶片开合角度，从而改变散热面表面的有效发射率，自动调节散热能力，当设备温度高时开窗增加散热，温度低时关窗减少散热。11.我国用于发射载人飞船的“神舟”系列飞船，其轨道舱在返回舱返回地面后，通常会继续在轨运行一段时间。请问轨道舱在轨运行期间的主要用途有哪些？（至少列举三项）答案：（1）作为航天员在轨工作与生活的空间：在载人飞行任务期间，轨道舱是航天员主要的在轨工作和生活场所，配备有睡眠区、卫生设备、实验设备等。（2）进行空间科学与技术试验：轨道舱内装载有多种科学实验设备，可用于进行对地观测、空间环境探测、材料科学、生命科学等多种实验。（3）作为交会对接的目标或辅助平台：在某些任务中，先期发射的轨道舱可以作为后续发射的飞船进行交会对接的目标。早期神舟任务中，轨道舱前端装有交会对接机构。（4）留轨进行对地观测或空间环境监测：在航天员乘返回舱返回后，轨道舱依靠自身能源和测控系统，可继续在轨运行数月，开展各项无人实验和观测任务。12.请解释航天领域中的“霍曼转移轨道”。如果要使一个环绕地球的航天器从较低高度的圆轨道（轨道半径）转移到较高高度的圆轨道（轨道半径），采用最简单的霍曼转移，总共需要几次变轨机动？分别在何处进行？与直接在原轨道上加速抵达目标轨道相比，霍曼转移的主要优点是什么？答案：霍曼转移轨道是一种在两个共面同心圆轨道之间进行转移的能量最省（所需速度增量最小）的轨道转移方式。它是一条外切于低轨道、内切于高轨道的椭圆转移轨道。总共需要两次变轨机动：（1）第一次机动：在初始低圆轨道（半径为）的某一点（转移轨道的近地点），施加一个切向速度增量Δ，使航天器进入一个椭圆形的转移轨道，其远地点半径为目标高轨道半径。（2）第二次机动：当航天器沿转移轨道运行半圈，到达远地点（半径为）时，再次施加一个切向速度增量Δ，使航天器加速并圆化轨道，进入目标高圆轨道（半径为）。主要优点：相比于连续加速或其它非优化转移方式，霍曼转移在理论上所需的总速度增量Δ|13.2021年，中国首个火星探测器“天问一号”一次性完成了“绕、着、巡”三大任务，标志着中国深空探测能力的重大飞跃。请问“天问一号”的环绕器、着陆平台和火星车的名称分别是什么？火星车设计寿命为3个火星月，其通过何种方式获取能量以维持工作？答案：“天问一号”探测器由环绕器和着陆巡视器组成。着陆巡视器又包括着陆平台和火星车。环绕器：即“天问一号”环绕器。着陆平台：未单独命名，通常与火星车合称“祝融号”火星车着陆平台。火星车：命名为“祝融号”。“祝融号”火星车主要通过太阳能电池阵获取能量。其顶部装有蝴蝶状的四片太阳翼，可以将太阳能转化为电能，为火星车的科学仪器、计算机、通信设备和热控系统等提供电力。火星车还采用了相变保温材料、休眠-唤醒模式等以适应火星的昼夜温差和沙尘天气。14.在卫星通信中，地球同步轨道（GeostationaryOrbit,GEO）卫星具有重要的应用价值。请描述地球同步轨道卫星必须满足的轨道参数条件。一颗地球同步轨道卫星的轨道周期是多少？其轨道半径的理论值约为多少公里？（已知地球自转周期T=23小时56分4.1秒，地球质量M≈答案：地球同步轨道卫星必须满足的轨道参数条件是：（1）轨道周期：等于地球的自转周期（恒星日），即T=（2）轨道倾角：为0度，即轨道平面与地球赤道平面重合。（3）轨道偏心率：为0，即轨道为圆形。满足以上条件的卫星，从地球上看，将固定悬挂在赤道上空的某一点，故也称为地球静止轨道卫星。根据开普勒第三定律，对于绕地球圆轨道，有=。代入数据计算：r这是地心到卫星的距离。卫星离地面的高度约为42164−15.航天发射场的地理位置选择需要考虑多种因素。请分析在低纬度地区（如靠近赤道）建设发射场，对于发射地球同步轨道卫星的主要优势是什么？并从物理学角度简要解释原因。答案：主要优势是能获得更大的地球自转线速度加成，从而节省推进剂、提高运载能力或允许发射更重的卫星。物理学解释：地球表面各点随地球自转具有向东的线速度，大小为v=ωRcosφ，其中ω是地球自转角速度（恒定），R是地球半径，φ发射地球同步轨道卫星时，最终轨道需位于赤道平面内。从低纬度发射场向东发射，可以利用最大的地球自转线速度作为初始速度的一部分，从而减少火箭为达到入轨速度所需提供的速度增量（Δv16.空间碎片（又称太空垃圾）对在轨航天器构成严重威胁。请定义什么是空间碎片，并列举其至少三个主要来源。为减缓空间碎片的产生，国际社会倡导的“空间碎片减缓指南”中，对结束任务后的低地球轨道（LEO）航天器有何要求？答案：空间碎片是指在地球轨道上运行的一切不起作用的人造物体，包括失效的卫星、火箭上面级、任务相关碎片（如螺栓、镜头盖）、以及碰撞或爆炸产生的碎片等。主要来源：（1）任务结束后的航天器（失效卫星）；（2）运载火箭的上面级和部件；（3）航天器在轨解体、爆炸或碰撞产生的碎片；（4）航天员遗落的工具等。根据空间碎片减缓指南（如IADC指南、联合国准则），对结束任务后的低地球轨道（LEO）航天器的要求是：应在任务结束后25年内离轨，再入大气层烧毁，或将其转移到专门的“坟墓轨道”（对地球静止轨道卫星）。对于LEO航天器，通常要求利用剩余推进剂进行离轨机动，使其轨道近地点降低到足够低（通常低于2000公里轨道的，降到200公里以下），以利用大气阻力使其在25年内自然衰减再入。这被称为“25年规则”。17.请简述我国“北斗”卫星导航系统的基本组成。北斗系统独有的特色服务是什么？该系统除了提供基本的定位、导航、授时（PNT）服务外，还提供哪两种有特色的无线电测定服务？答案：北斗卫星导航系统（BDS）由空间段、地面段和用户段三部分组成。空间段：由若干颗地球静止轨道（GEO）卫星、倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星和中圆地球轨道（MEO）卫星组成的混合星座。地面段：包括主控站、时间同步/注入站、监测站等地面设施。用户段：包括各种北斗用户终端。北斗系统独有的特色服务是短报文通信服务。用户终端不仅可以接收导航信号，还可以通过北斗卫星发送简短的文字或位置信息，这在没有移动通信网络覆盖的地区（如海洋、荒漠、灾区）具有极其重要的应用价值。两种有特色的无线电测定服务是：（1）星基增强服务（SBAS）：通过地球静止轨道卫星播发差分校正信息和完好性信息，提高定位精度和可靠性。（2）精密单点定位（PPP）服务：通过播发精密轨道和钟差改正数，使用户终端能够实现厘米级甚至毫米级的高精度定位。18.当航天器以高速再入地球大气层时，其前端会形成强烈的激波，与大气剧烈摩擦产生高温。请解释这个高温的主要热源是什么？为了应对再入过程中的气动加热，返回式航天器（如载人飞船返回舱）通常采用哪种主要的防热结构？并简述其工作原理。答案：再入高温的主要热源不是简单的“摩擦生热”，而是航天器以高超音速压缩前方空气，形成强烈的弓形激波。激波后的空气被急剧压缩和减速，绝大部分动能转化为热能，导致气体温度急剧升高（可达数千甚至上万摄氏度），从而对航天器表面产生强烈的对流加热。同时，高温气体本身的热辐射也是重要的加热来源（辐射加热）。返回式航天器通常采用烧蚀防热结构。其工作原理是：防热材料（如酚醛树脂浸渍碳纤维或二氧化硅纤维）在遇到高温时，会发生一系列物理化学变化（如熔化、蒸发、升华、热解等），吸收并带走大量热量（利用相变潜热和物质流失）。同时，热解产生的气体向外喷射，在航天器表面形成一层相对低温的“保护层”，部分阻隔外部高温气流向内部传递热量。烧蚀过程牺牲了表面材料，但有效保护了内部结构和航天员安全。神舟飞船返回舱的防热大底就是典型的烧蚀防热结构。19.请解释什么是“引力弹弓效应”（或称重力助推）。它在深空探测任务中有什么重要作用？以旅行者号探测器飞掠木星为例，简要说明探测器是如何利用木星的引力获得加速的。答案：引力弹弓效应是指航天器通过飞掠大质量天体（如行星），利用该天体的引力场改变自身的速度和方向，从而获得相对于太阳的动能增益或损失的一种轨道机动技术。重要作用：可以显著节省探测器从地球飞往外行星乃至飞出太阳系所需的推进剂，或者允许使用运载能力较小的火箭发射质量更大的探测器，是深空探测任务中至关重要的节能技术。飞掠木星获得加速的过程：当探测器从木星后方（相对于木星绕太阳公转的方向）飞入木星引力场时，木星的引力会“拉拽”探测器，使其速度增加。在木星参考系中，探测器的速度大小基本不变（假设双曲线轨道），但方向发生了偏转。当转换回太阳参考系时，由于木星本身具有约13km/s的公转速度，探测器在飞掠过程中“借取”了木星的一部分轨道动量，其相对于太阳的速度得到了大幅增加。旅行者1号和2号都通过飞掠木星和土星获得了巨大的速度增量，从而能够完成对外太阳系的探测并最终飞向星际空间。20.中国空间站“天宫”的基本构型包括“天和”核心舱、“问天”实验舱和“梦天”实验舱。请分别简述“问天”实验舱和“梦天”实验舱在空间站整体功能中的一项主要独特贡献。答案：“问天”实验舱的一项主要独特贡献：它配备了航天员出舱活动专用气闸舱和一个大型机械臂（问天舱小机械臂）。这个气闸舱是空间站主要的出舱口，航天员从这里执行舱外任务更加便捷高效。其小机械臂可以与核心舱大机械臂组合使用，形成级联操控，扩大机械臂的活动范围和操作灵活性，支持舱外设备安装、维护和转移。“梦天”实验舱的一项主要独特贡献：它主要面向微重力科学研究，配置了多学科、多研究方向的科学实验柜，特别是在流体物理、材料科学、燃烧科学等需要高微重力水平（低干扰）的实验领域具有优势。此外，梦天舱还拥有专门的货物气闸舱和舱外载荷挂点，可以通过机械臂将舱内载荷自动转移至舱外，或将舱外载荷回收至舱内，实现了舱内外实验的便捷切换，大幅提升了空间应用能力。答案汇总与简要解析1.A。解析：关键日期1970.4.24，火箭“长征一号”，乐曲《东方红》，第五个国家。2.B