2025-2025学年全国青少年航天创新大赛赛区（江苏省）（青少年航天创新大赛）训练题及答案

2025-2025学年全国青少年航天创新大赛赛区（江苏省）（青少年航天创新大赛）训练题及答案一、选择题1.下列关于我国运载火箭燃料的叙述，正确的是：A.长征五号系列火箭芯一级主要采用液氧煤油推进剂B.液氢液氧推进剂因其比冲高、无污染，常用于火箭末级C.偏二甲肼和四氧化二氮作为常温推进剂，因其储存和使用安全，是未来主流发展方向D.固体推进剂主要优点是比冲高、可重复启停，广泛用于大型运载火箭芯级答案：B解析：A项错误，长征五号芯一级采用液氧液氢推进剂，其助推器采用液氧煤油。B项正确，液氢液氧组合比冲最高，且燃烧产物为水，环保，但液氢密度低、温度极低，储存困难，多用于上面级或芯级。C项错误，偏二甲肼和四氧化二氮有剧毒和腐蚀性，污染大，正逐步被低温环保推进剂取代，并非未来主流。D项错误，固体推进剂优点是结构简单、准备时间短、可靠性高，但比冲通常低于低温液体推进剂，且一般不可调节和重复启停，多用于助推器、导弹或小型火箭。2.在近地圆轨道上运行的航天器，其轨道周期主要取决于：A.航天器的质量B.轨道的高度C.发射场的纬度D.航天器的形状与面积答案：B解析：根据开普勒第三定律，对于绕中心天体运动的航天器，其轨道周期的平方与轨道半长轴的立方成正比。对于近地圆轨道，轨道半长轴近似为地球半径加上轨道高度。因此，周期主要取决于轨道高度（或半长轴），与航天器自身的质量、形状、发射场纬度无关。具体公式为T=2π，其中T为周期，a3.我国“嫦娥六号”任务实现人类首次从月球背面采样返回。采样地点选择在月球背面南极-艾特肯盆地，主要考虑因素不包括：A.该区域是太阳系内最大的撞击盆地之一，可能暴露月球深部物质B.月球背面始终背对地球，电磁环境安静，有利于开展低频射电天文观测C.着陆区地形相对平坦，光照条件稳定，便于着陆器长期工作D.验证月背中继通信、复杂地形智能避障等关键技术答案：C解析：南极-艾特肯盆地是月球上最大、最古老的撞击盆地，可能挖掘出月幔物质，科学价值极高（A）。月球背面能屏蔽地球无线电干扰，适合低频射电观测（B）。“嫦娥六号”任务旨在突破月背采样返回技术，验证相关关键技术（D）。C项描述不符合实际，月球背面地形复杂，光照条件与正面不同，并非长期稳定光照，且“嫦娥六号”是短期采样任务，不强调长期工作。4.关于空间站舱段在轨对接，以下描述错误的是：A.两个航天器对接前，需首先完成交会，即在同一轨道上逐步接近B.我国空间站采用“径向对接”方式，即后向、前向和径向端口均可对接来访航天器C.对接机构在捕获、缓冲、拉紧、密封等步骤后，形成刚性连接与密封通道D.对接过程中，需要精确控制两个航天器的相对位置、速度和姿态答案：B解析：A、C、D项均正确描述了空间交会对接的关键过程与要求。B项错误，我国空间站天和核心舱确实有前向、后向、径向三个对接口。但“径向对接”特指航天器从核心舱径向（垂直于轨道平面方向）接近并对接，技术难度极高，涉及复杂的轨道控制和姿态调整。神舟载人飞船、天舟货运飞船通常进行前向或后向对接。径向对接是神舟飞船与空间站组合体进行的一种对接模式，并非所有端口进行的对接都称为“径向对接”。选项表述不准确，易产生歧义。5.航天器热控系统中，关于相变材料热控技术，下列说法正确的是：A.相变材料在发生物态变化时温度不变，利用潜热吸收或释放大量热量B.该技术主要用于航天器长期、大功率的发热设备散热C.常用的相变材料主要是金属材料，如铝、铜等D.相变过程完全可逆，在轨期间可无限次循环使用而无性能衰减答案：A解析：相变材料（如石蜡、水合盐等）在熔化/凝固或汽化/液化时，在相变点附近温度基本恒定，通过吸收或释放相变潜热来存储或释放能量（A）。它主要用于应对周期性或间歇性热负荷，平衡温度波动，而非长期大功率散热（B）。常用的是特定有机或无机非金属材料，而非普通金属（C）。相变过程虽可逆，但长期循环可能出现相分离、过冷、性能退化等问题，并非无限次无衰减使用（D）。二、填空题1.我国用于载人航天发射的火箭是______系列运载火箭，其逃逸塔位于火箭顶部，在发射段为航天员提供安全保障。答案：长征二号F解析：长征二号F运载火箭是我国目前唯一一型用于载人发射的火箭，享有“神箭”美誉。其顶部的逃逸塔在发射台至低空飞行阶段，如发生重大故障，可迅速将飞船返回舱带离危险区域，保障航天员安全。2.在轨运行的空间站会受到微弱但持续存在的大气阻力影响，导致轨道高度缓慢______（填“升高”或“降低”），需要定期启动推进器进行轨道______（填“维持”或“变更”）。答案：降低；维持解析：近地空间仍存在稀薄大气，空间站在轨运行时会受到大气阻力，不断消耗其机械能，导致轨道高度逐渐降低。为了维持预定的工作轨道，需要定期通过货运飞船或自身发动机点火，施加推力来提高轨道高度，这一操作称为轨道维持。3.航天器姿态控制系统中的敏感器，如用于测量航天器相对于太阳方向的仪器称为______；测量航天器自身旋转角速度的仪器称为______。答案：太阳敏感器；陀螺仪（或角速度传感器）解析：太阳敏感器通过探测太阳光的方向来确定航天器相对于太阳的方位。陀螺仪（或更广义的角速度传感器，如光纤陀螺、激光陀螺）用于直接测量航天器绕其自身轴旋转的角速度，是姿态稳定和控制的关键测量元件。4.按照国际惯例，轨道倾角约为90度的人造地球卫星轨道称为______轨道，其轨道平面几乎穿过地球南北两极。答案：极地解析：轨道倾角是轨道平面与地球赤道平面的夹角。倾角为90度时，轨道平面与赤道平面垂直，卫星飞行经过地球南北极上空，这种轨道称为极地轨道。这种轨道有利于对全球进行观测。5.我国“天问一号”火星探测器由环绕器、______和______组成，一次性完成了环绕、着陆和巡视三大任务。答案：着陆平台（或着陆器）；火星车（或祝融号）解析：“天问一号”探测器是我国的首次自主火星探测任务，由环绕器、着陆平台和“祝融号”火星车三部分组成。环绕器负责环火星探测和中继通信；着陆平台负责进入火星大气、下降与着陆；火星车则在着陆后驶离平台，开展巡视科学探测。三、判断题1.航天员在空间站内处于失重状态，是因为他们距离地球很远，地球引力几乎为零。答案：错误解析：空间站所在的高度（约400公里）地球引力依然很强，约为地面引力的90%。航天员感受到的“失重”实际上是微重力环境，是由于空间站及其内部物体在绕地球做高速圆周运动时，其向心力由地球引力提供，两者达到了平衡，表现为自由落体的状态，而非引力消失。2.卫星的太阳能电池翼始终需要对日定向以获取最大发电功率，因此其指向是固定不变的。答案：错误解析：为了最大化发电效率，卫星的太阳能电池翼确实需要尽可能对准太阳。但对于在轨运行的卫星，其本体姿态可能因任务需求（如对地观测天线指向地球、望远镜指向深空）而不断变化。因此，需要通过驱动机构（太阳翼驱动机构）让太阳能电池翼独立于卫星本体旋转，以实现对日定向，其指向并非固定不变。3.“可重复使用航天器”是指其所有部件在任务结束后都能回收并多次使用。答案：错误解析：“可重复使用航天器”通常指其主体部分或关键系统（如第一级火箭、轨道级飞行器）能够执行多次飞行任务。目前的技术水平下，并非所有部件都能重复使用（例如某些一次性消耗品、防热材料等）。例如，航天飞机轨道器可重复使用，但其外挂燃料箱为一次性使用；猎鹰9号火箭一级可重复回收使用，但二级火箭目前仍为一次性。4.在深空探测中，使用核电源（如放射性同位素热电发生器）比太阳能电池更具优势，因为它不依赖太阳光，能在光照微弱或长期黑暗的环境下稳定工作。答案：正确解析：随着探测器远离太阳，太阳光强度急剧减弱（与距离平方成反比），太阳能电池发电效率大幅下降。核电源利用放射性同位素衰变产生的热量发电，不依赖阳光，功率稳定，环境适应性强，特别适合用于深空探测、火星高纬度或夜间任务、以及木星以远的探测任务。5.同步轨道卫星的轨道周期与地球自转周期相同，因此从地面上看，它永远静止在天空中的同一个位置。答案：正确解析：地球同步轨道卫星的运行周期等于地球的自转周期（约23小时56分4秒）。如果该卫星的轨道还是圆形且位于赤道上空，其轨道平面与赤道平面重合，那么从地球上看，这颗卫星将固定出现在天空的某一点，这种轨道称为地球静止轨道。题目中“同步轨道”通常指地球静止轨道，故表述正确。四、计算题1.已知地球半径为R=6371km，标准重力加速度(1)求该卫星在轨道上的运行速度v（结果保留三位有效数字）。(2)求该卫星的运行周期T（分钟，结果保留整数）。解：(1)对于绕地球做匀速圆周运动的卫星，万有引力提供向心力：G其中G为万有引力常数，M为地球质量。在地球表面，有m=G，可得代入向心力公式：=v代入数值：R=6.371×m,Rvv所以，运行速度v≈7.67×(2)运行周期T为轨道周长除以速度：TT换算为分钟：T≈所以，运行周期T≈2.某小型卫星采用单轴太阳翼，其面积为S=2.0，光电转换效率η=(1)若卫星在近地轨道（光照强度近似等于）且太阳翼正对太阳，求其最大输出电功率。(2)若该卫星运行至地球阴影区（星蚀期），太阳翼无法发电，需完全由蓄电池供电。卫星平台负载平均功率为=80W。假设蓄电池组放电深度为DOD=40，系统放电效率解：(1)最大输出电功率等于接收的太阳光功率乘以光电转换效率：==所以，最大输出电功率≈762(2)星蚀期所需由蓄电池提供的总能量为：=注意单位：t=这是负载实际消耗的能量。考虑蓄电池放电效率=95，蓄电池需要释放的能量为：=设蓄电池组的总能量容量为（Wh），放电深度为DOD=40需满足：×≥所以，蓄电池组所需的最小总能量容量≈141五、简答题1.简述航天器在轨运行期间，其姿态控制系统的主要作用及三种常用控制方式（不要求展开具体原理）。答：航天器姿态控制系统的主要作用是：确定并控制航天器在空间中的指向，使其本体或特定部件（如天线、相机、太阳翼）按照任务要求精确地指向特定方向（如对地、对日、对惯性空间某目标）。三种常用控制方式为：（1）被动控制：利用航天器自身的动力学特性或环境力矩（如重力梯度、地磁场、太阳光压等）实现姿态稳定，无需消耗燃料或电能，但控制精度较低。例如重力梯度杆、磁滞杆。（2）半被动/半主动控制：通常指飞轮控制。通过改变安装在航天器内部的飞轮转速，根据角动量守恒原理来调整航天器姿态。需要电能驱动飞轮，但基本不消耗推进剂，控制精度高。飞轮饱和后需通过磁力矩器或其他方式卸载角动量。（3）主动控制：通过喷射工质（冷气、热气或离子）产生反作用力矩来控制姿态。响应速度快，能提供较大控制力矩，适用于大角度机动或快速姿态调整，但会消耗推进剂，寿命受工质总量限制。2.载人飞船在返回地球过程中，为什么需要经历“再入大气层”阶段？此阶段面临的主要挑战是什么？飞船采用了哪些主要措施来应对？答：需要经历“再入大气层”阶段的原因：飞船从轨道速度（约7.8km/s）返回地球，具有巨大的动能和势能。直接撞击地面是灾难性的。再入大气层是利用地球大气层的阻力，使飞船持续减速，将巨大的机械能转化为热能消散掉，从而安全地将速度降至可打开降落伞着陆的水平。面临的主要挑战：（1）气动加热（热障）：飞船以高速压缩前方空气，产生激波，使得飞船表面温度急剧升高，可达上千摄氏度。（2）过载：减速过程会产生巨大的减速度（过载），需确保在航天员生理承受范围内（通常不超过4-5g）。（3）黑障：高温使飞船周围的空气电离形成等离子体鞘套，隔绝无线电波，导致通信中断。（4）气动稳定性与控制：确保飞船在稠密大气中以正确的姿态飞行，避免翻滚。主要应对措施：（1）防热措施：在飞船返回舱外表面加装防热材料（如烧蚀材料），通过材料分解、熔化、升华等过程带走热量，保护内部结构和航天员。（2）设计合适的再入轨道（如半弹道式再入）：通过控制再入角和升力，将过载控制在安全范围，并调整航程。（3）承受黑障：在黑障区不进行关键通信，依靠预设程序自主控制，飞出黑障区后恢复通信。（4）气动外形设计：返回舱采用钝头大底朝前的钟形或球形外形，这种形状稳定性好，且能将热量主要耗散在防热大底上。六、综合应用题题目：假设你是一名青少年航天项目团队成员，正在设计一个用于近地轨道（LEO）的立方星（CubeSat，假设为3U规格：30cm×10cm×10cm）。该立方星的主要任务是利用其搭载的多光谱微型相机对特定区域的植被进行周期性观测。请基于所学知识，规划并回答以下问题：1.为了获得清晰的植被图像，需要保证卫星在过顶目标区域时相机稳定对地。这主要依赖于卫星哪个分系统？该系统在成像期间应工作于何种模式？2.由于立方星体积小，无法携带大型太阳翼。若其总平均功耗（含相机工作时峰值）为8W，计划采用体装式太阳能电池（即贴在卫星外表面）。估算其六个外表面中，至少需要多大比例的面积覆盖太阳能电池片（假设太阳电池片在轨平均发电功率密度约为200W/m²，并考虑轨道周期中的日照区和阴影区比例，按平均60%的时间可发电进行估算）？简要说明你的计算思路。3.除了电源和姿态控制，请再列举两个该立方星在轨正常运行所必需的分系统，并简述其在该任务中的主要作用。答：1.主要依赖于姿态控制系统（ACS）。在成像期间，姿态控制系统应工作于对地定向三轴稳定模式。具体而言，需要控制卫星使相机光轴精确指向目标地面区域（俯仰和偏航控制），同时为了获得无旋转的图像，还需要围绕光轴方向进行稳定（滚动控制）。通常使用微型反作用飞轮或磁力矩器与磁强计组合来实现高精度的三轴稳定。2.计算思路：第一步：确定卫星的总能量需求。卫星在轨运行一圈（约90分钟）的平均功耗为8W，即它每小时平均消耗8Wh的能量。第二步：考虑发电时间。由于轨道运行中会进入地球阴影区，假设只有60%的时间（即光照期）太阳能电池可以发电。那么，为了