航天技术概论复习大纲及参考答案 (大连大学)

1.二体运动：在初步分析中，往往可以把天体运动简化并抽象为两个m、M的质点(位于天体质心)在相互引力作用下的运动。这就是“二体运动”。

2.星下点轨迹：航天飞行器运行时，它和地心连线与地球表面交点的集合叫做星下点轨迹。

3.等离子鞘：再入体以超高速进入大气层时会产生激波。再入体表面与周围部分气体呈粘滞状态，表面热量散发速度降低。在激波与再入体之间形成一个温度高达几千度的高温区。高温气体和再入体表面材料的分子分解、电离和重新复合的结果，形成一个等离子区。它像鞘套一样包围着再入体，故称等离子鞘。

4.轨道控制：对卫星的质心施加外力，以改变质心运动轨迹的技术称为轨道控制。

5.被动式姿态控制：其控制力由空间环境或卫星动力学特性提供，不需要消耗星上能源，如利用气动力、太阳辐射压力或重力剃度可实现卫星的姿态控制和轨道被动控制。

6.章动：当陀螺的自转角速度w不够大时，则除了自转和进动外，陀螺的对称轴还会在铅垂面内上下摆动，即q角会有大小波动，称为章动。

7.姿态捕获：是各类卫星一种需要经常执行的控制模式，其捕获方式可分为全自动、半自动和地面控制，根据姿态捕获的目的和星上能源情况确定。

8.比冲：比冲是发送机每秒钟消耗1kg推进剂所得到的推力值。比冲记为Ie,其大小表示了发动机性能的好坏，是火箭发送机最重要的性能参数。

9.平动点：在由飞行器m、小天体M2及天质量天体M1构成的三体问题中，若M2相对于M1作圆周运动(如月球和地球)，则在M2的运动平面上有不同的5个点。若飞行器m进入这些点时相对于M1的运动速度与M1至M2的向径垂直，并且角速度与M2相对M1运动的角速度相等，则此后m在M1与M2的引力作用下，将继续保持这种运动状态。即m与M2以相同角速度绕M1作圆周运动。因此，在以M1为原点，以M1和M2的连线为坐标轴的旋转坐标系中，m处于静止状态。这5个点称为“平动点”。

10.微重力：在实际的航天飞行中，航天器除受引力作用外，不时还会受到一些非引力的外力作用。例如，在地球附近有残余大气的阻力，太阳光的压力，进入有大气的行星时也有大气对它的作用力。根据牛顿第二定律，力对物体作用的结果，是使物体获得加速度。航天器在引力场中飞行时，受到的非引力的力一般都很小，产生的加速度也很小。这种非引力加速度通常只有地面重力加速度的万分之一或更小。为了与正常的重力对比，我们就把这种微加速度现象叫做“微重力”

11.遥控：遥控是一种上行信号，有时也称为前向链路信号，它是根据下行(或返回链路)中的遥测信号分析、判断、决策后作出的一种响应，响应变为命令，发送给过境的航天器，航天器上有相应的遥控接收机、解调器和译码器，译码器恢复出来的命令，用来启动执行机构干预航天器的轨道、姿态、调整内部分系统的工作状态、运动参数或更换备份分机。

12.轨道根数：是对选定的二个质点，在牛顿运动定律和平方反比定律的重力吸引下，确定特定轨道所必须的参数。确定卫星空间位置的参数叫做轨道要素。

13.第一宇宙速度：物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度叫做第一宇宙速度，发射人造地球卫星，必须具有第一宇宙速度（7.91km/s）。

14.地形匹配制导：利用地形轮廓特征获取导信息，控制导弹飞向目标的制导技术。

15.GPS制导：GPS（全球定位系统）制导的工作原理是利用弹上安装的GPS接收机接收4颗以上导航卫星播发的信号，来修正导弹的飞行路线，提高制导精度。

16.轨道倾角：轨道倾角，简称倾角。指航天器绕地球运行的轨道平面与地球赤道平面之间的夹角，分为顺行轨道、逆行轨道和极轨道。人造卫星轨道平面与赤道平面之间的夹角。

1、简述地球大气的分层结构。

地球大气是指被地球引力场和磁场所束缚、包裹着地球陆地和水圈的气体层。

地球大气的气体主要集中在0~50km的高度范围之内，约占地球大气总量的99.9%左右；

高度大于100km的空间仅占0.0001%左右；

高度在90km以上的大气称为高层大气。

中性大气：LEO航天器所遇到的特有空间环境，100~1000km高度范围正处于大气的热层和外层大气之中。

中性大气对航天器的影响有：

（1）大气密度对航天器产生阻力，导致航天器的寿命、轨道衰变速度和姿态的改变；

（2）高层大气中的原子氧作为一种强氧化剂与航天器表面材料发生化学效应，导致航天器表面材料的质量损失、表面剥蚀以及物力、化学性能改变。

大气分层：按温度的垂直分布划分：

对流层（极地为6~8km，赤道地区为16~18km）；平流层（50km）；中间层（85km）；热层（90~200km）；外层大气或逃逸层

按大气成分的均一性质划分：

均质层（前三个）；非均质层（后两个）

2、什么是地球的电离层？其有哪些反常现象？简述其对航天活动的影响。

电离层是地球大气的一个重要层区，有太阳电磁辐射、宇宙线和沉降粒子作用于地球高层大气，使之电离而生成的有电子、离子和中性粒子构成的能量很低的准中型等离子体区域。处在50km至几千公里高度间，温度在180~3000K范围之间。

反常现象：伴随着太阳耀斑、磁暴等全球性扰动过程，出现电离层突然扰动、电离层暴以及极区反常现象。

离层突然扰动：电离层突然剧烈增强，造成日照半球上短波与中波信号立即衰落甚至完全中断，长波和超长波的天波相位发生突变。

电离层暴：太阳耀斑爆发时，抛射出大量带电粒子流或等离子体“云“，破坏了电离层的正常结构，引发电离层暴。极区的变化最为剧烈，电离层暴对短波通信影响较大，短波吸收加剧甚至中断。

极区反常现象：极区的太阳光照条件的日变化和季节变化均比较小而且缓慢，容易受到太阳带电粒子流的影响，极区经常产生极光和磁扰。

影响：（1）对航天器通信系统的影响

电离层对无线电波存在严重的影响，它对在其中传播的电磁波产生折射、反射、散射、吸收、色散和法拉第旋转等，改变电波传播路径，出现电波时延、信号衰落，通信质量下降。

电离层内不规则的变化，使通过的信号产生闪烁，造成经电离层传播的电波幅度、相位、到达角和偏振特性发生不规则的起伏，千兆赫兹频段的信号幅度起伏可达10dB，还可以引起电波聚焦或散焦，甚至造成电波信号丢失。局部电离还会改变航天器上天线的阻抗特性，还可能产生噪声。（2）对航天器定轨系统的影响

电波在电离层中传播时，由于电离层的运动或其特性随时间的变化，电波在电离层中传播的相路径随时间变化，表现为接收站收到的电波信号频率发生偏移。因此，在利用电波的多普勒效应测量确定航天器的轨道时，必须根据实时的电离层信息进行修正。

（3）对航天器轨道和姿态的影响

电离层中的电子和离子，对航天器的运动可产生小份额的阻力。当航天器横切磁力线飞行时，会产生感生电动势，并通过周围的等离子体形成电流回路，又将产生新的阻力。

（4）对航天器电源系统的影响

运行在400~500km以上高度轨道的航天器的高压太阳电池阵，由于周围等离子的高导电性，会使电

池裸阵导体部分与之构成并联回路，从而造成电源电流的无功泄露，降低了电源的供电功率。（5）航天器充电效应

空间等离子体导致的航天器充电可以分为两种形式：

一种是能量不能穿透航天器表面的等离子与航天器相互作用而产生的表面充电。

另外一种等离子体充电形式是内部充电，它是能量高于几十ke V的电子入射到航天器上，可以穿透航天器表面，在航天器表面之下聚集并形成充电现象。当充电电位达到一定值时，就会发生静电放电，对航天器电子系统产生影响。

3、简述卫星有哪些轨道要素及其物理意义。

确定卫星空间位置的参数叫做轨道要素。相对地心赤道坐标系，确定卫星的空间位置。

确定轨道平面在空间位置的参数：Ω——升交点赤经，从春分点到升交点的角距；i——轨道倾角，是轨道面与赤道面的夹角

确定轨道在轨道面内位置的参数：ω——近地点角距，在轨道平面上，升交点和近地点矢径的夹角

确定轨道形状及地点矢径的夹角：a——轨道长半轴，e——轨道偏心率

确定卫星在轨道位置上的参数：f——真近点角，近地点和卫星所在位置矢径之间的夹角。4、按卫星轨道高度人造地球卫星可分为哪些种类？

答：可以分为近地轨道卫星（1000km以下）、中高轨道卫星（1000~10000km）、高轨道卫星（36000km）、大椭圆轨道卫星（近地点300~500km，远地点40000km以上）。

5、如何实现返回式卫星的落点控制。

返回式卫星由返回舱和设备仓两部分组成。

返回前卫星在原轨道上运行，当时间程序控制要求卫星返回时，与水平面成一角度（称制动角），这时的纵轴方向为制动方向，这时制动火箭按给定时间工作，使卫星在这一方向上获得附加速度△V，使卫星由原来的速度V1变成V2。由于卫星运行方向和速度的变化使其脱离原轨道，进入一条新轨道。若姿态指令未执行或姿态为达到预期要求，则地面站可以根据卫星提供的姿态不正常标志，而发全姿态捕获指令，实现重新捕获原运动姿态，卫星继续在原轨道运行，直至适时在再次进行返回调姿，精确控制制动方向和制动火箭的冲量可使卫星过渡轨道保证卫星安全进入大气层。对于没有再入机动能力的卫星，为了建校制动火箭自旋，制动火箭点火，返回舱沿过渡轨道下降，直至进入大气层，此时旋转稳定的返回舱需要消旋，以便返回舱利用其动力稳定在防热层逆流的状态，由于返回舱以一定的速度在空气中飞行，受到大气阻力作用，逐渐减速，最后将落到预定地点。

6、简述卫星运行的三种轨道。

（1）从运载火箭第一级点火，到卫星入轨，是发射轨道，由主动段和自由飞行段组成。

（2）卫星入轨至结束轨道寿命，或返回卫星的制动火箭点火期间卫星飞行的轨道是卫星运行轨道。（3）从制动火箭点火，至卫星再入舱回收容器降落到地面，是卫星的返回轨道。

7、航天运输系统的定义？运载器和运输器的区别？

航天运输系统是指完成各类航天飞行任务的运载器和运输器的总称。

运载器：一次性使用的运载火箭

运输器：可重复使用的航天飞机、载人飞船、货运飞船、空天飞机、单级入轨火箭、轨道机动飞行器（OMV）和轨道转移飞行器（OTV）等。

8、简述开普勒三定律的主要内容。

椭圆定律(开普勒第一定律)

开普勒第一定律，也称椭圆定律：每一个行星都沿各自的椭圆轨道环绕太阳，而太阳则处在椭圆的一个焦点中。

面积定律(开普勒第二定律)

开普勒第二定律，也称面积定律：在相等时间内，太阳和运动着的行星的连线所扫过的面积都是相

等的。这一定律实际揭示了行星绕太阳公转的角动量守恒。

调和定律(开普勒第三定律)

开普勒第三定律，也称调和定律：各个行星绕太阳公转周期的平方和它们的椭圆轨道的半长轴的立方成正比。由这一定律不难导出：行星与太阳之间的引力与半径的平方成反比。这是牛顿的万有引力定律的一个重要基础。

9、分包遥测基本思想？

答：分包遥测和常规IRIG遥测相反，每个参数采用一个测量过程完成之后以应用过程为单位的方式，再传送标准化业务和数据结构，CCSDS已定义了一组数据格式和信道编码方案。

10、什么是空间测控和通信系统，其主要功能为何？

答：在航天器和地球基地之间建立一条交换信息的渠道，统称为空间测控和通信系统。其主要功能有跟踪，遥测，遥控，通信四种功能。

11、GPS主要技术思想，位置计算原理和主要定位能力如何。

答：技术思想：1.星座位置采用倾角i=63.4度，轨道高H=19652km，周期为12h的圆形轨道；2.共发射21-24颗星，分布在3个轨道面上，轨道面在赤道上相距120度，每个轨道面上8颗星，其中一颗备用，7颗工作星；3.定位原理采用“甚长基线同步测距三角定位法”利用三个球面相交于一点求出目标位置；4.将原子钟搬上天，保证GPS的高精度；5.每个GPS星用L波段的两个载波同时发射导航电，每个包含卫星星历表和时钟性能数据。6.采用伪码序列P码、C/A码、M码。

位置计算原理：1.以具有普通晶振时钟多通道的用户设备为例，令B为导航星时间系统和GPS 接收机时钟之间的始终误差。2.p1,p2,p3,p4为GPS接收机测出的四个伪距离；3.R1,R2,R3, R4为四颗导航星至GPS接收机之间的真实距离；4.ui,vi,wi为第i颗导航星在惯性直角地心坐标系中的坐标位置；5.x，y，z为用户星在惯性地心直角坐标系中的位置；6.4个未知数x、y、z、B，需四个方程式求解。解出x，y，z后再换算成用户所在位置的经纬度和高程。

主要定位能力：1.全球、全天候；2.用户数量不受限制；3.无源测距、用户隐蔽性好，海陆空天目标都可使用；4.P码能提供小于10m的精度，C/A码定位精度在100m左右。

12、我国航天技术取得了哪些重要进展？

答：1.先后研制了12种不同型号的“长征”系列运载火箭，建成了酒泉、西昌、太原三大航天发射场，先后成功地实施了63次各种类型的发射，并将27颗国外制造的卫星送入太空，产生了深远的国际影响和较好的经济效益。2.自行研制和发射了47颗不同类型的人造地球卫星(飞行成功率达到90%以上)，初步形成了中国4个卫星系列——返回式遥感卫星系列、“东方红”通信广播卫星系列、“风云”气象卫星系列和“实践”科学探测与技术试验卫星系列(即将形成“资源”地球资源卫星系列)。中国成为世界上第三个掌握卫星回收技术和第五个独立研制和发射地球静止轨道通信卫星的国家。3.建成了中国完整的航天测控网，包括陆地测控站和海上测控船，圆满完成了从近地轨道卫星到地球静止轨道卫星及试验飞船的航天测控任务。实现了载人航天。在研制高可靠性运载火箭与航天医学、生命科学试验研究方面取得了重要进展。4.为适应航天事业需要而发展起来的航天综合性技术，推动了我国冶金、材料、能源、机械加工、化工和超大规模集成电路、各种新型电子元器件、箭载与星载计算机等现代基础工业的兴起与发展。5.建成了中国完整的航天测控网，包括陆地测控站和海上测控船，圆满完成了从近地轨道卫星到地球静止轨道卫星及试验飞船的航天测控任务。在载人航天领域，已经突破了飞船研制试验的基本技术，在研制高可靠性运载火箭与航天医学、生命科学试验研究方面取得了重要进展。

13、空间技术系统由哪几部分组成？简要说明各部分的主要功能。

空间技术系统由运载火箭系统、发射场系统、测控系统、卫星系统、应用系统5部分组成。

运载火箭系统：运载火箭是把搭载的卫星送入预定轨道的运载工具。

发射场系统：主要负责组织指挥火箭的组装、测试、加注及发射，同时负责提供卫星的组装、测试和发射保障，火箭发射后的跟踪测量和控制。

测控系统：主要负责火箭及卫星的轨道测量、图像及遥测监视、遥控操作、数据注入、飞行控制等。卫星系统：任务期间，它们主要承担月表形貌与地质构造调查，月表物质成分和可利用资源调查，地球等离子体层探测和月基光学天文观测等三项任务。

地面应用系统：地面应用系统由数据接收、运行管理、数据预处理、数据管理、科学应用五个分系统组成。

14、地球引力区和月球外层空间领域的资源包括哪些？

地球引力区和月球外层空间领域的资源：1航天器相对于地面的高远位置资源；2高真空和高洁净环境资源；3航天器微重力资源环境；4太阳能资源；5超低温热沉资源；6月球及其他行星资源。

15、简述卫星控制系统的组成。

答：卫星控制系统即控制卫星轨道和姿态控制的整套设备，它包括姿态控制系统和轨道控制系统。

姿态控制系统用来保持或改变卫星的运行姿态。控制方式有两类：被动姿态控制（利用卫星本身的动力学特性和环境力矩来实现姿态稳定的方法），如自旋稳定、重力梯度稳定、磁稳定、气动稳定、太阳辐射压力稳定等；主动姿态控制（根据姿态误差形成控制指令，产生控制力矩来实现姿态控制的方法）。系统由姿态敏感器、控制器和执行机构组成。常用的姿态控制方式有重力梯度稳定、自旋稳定和三轴稳定。

轨道控制系统用来保持或改变卫星的运行轨道。轨道控制按应用方式分为4类：变轨控制和轨道机动、轨道保持、交会和对接、再入和着陆控制。按工作原理分为两类：非自主导航和自主导航。轨道控制往往和姿态控制配合，共同构成卫星控制系统。

16、什么是双自旋卫星的消旋控制，简述其基本原理。

答：一般双自旋卫星的消旋控制是为卫星的有效载荷提供一个稳定平台，并根据自旋轴的姿态控制使定向天线指向地面给定区域。这一控制部件通常称为消旋平台控制系统。消旋平台控制系统是采样锁相伺服系统，在工作时由位置磁编码器产生的天线位置脉冲与某一基准（一般为地中脉冲）相位锁定，从而保证天线精确指向，一个速度磁编码器提供测速反馈，保证伺服系统有极好的刚度。为了消除系统误差和按地面指令改变东西向波速指向而设置了东西向校正线路。

17、什么是卫星的轨道摄动？卫星运行期间，主要受到哪些摄动的影响？

答：由于外力的作用、卫星自身发出的姿态控制力的作用，导致卫星的实际运动轨迹偏离二体运动椭圆轨道，这种偏离称为“轨道摄动”。卫星运行期间，主要受到的摄动有：地球形状摄动、大气阻力摄动、太阳光压摄动和日月引力摄动等。

18、简述近地轨道LEO航天器的发射过程。

运载火箭由发射场的发射架点火起飞到把航天器送入预定轨道，一般需要经历三个阶段：加速飞行段、滑行段和再加速段。初始加速段的任务是利用的一级缓建的发动机先点火，在强大推力的作用下离开发射台垂直向上缓慢上升，穿过稠密大气层后，按程序控制命令在预定时间令第一级发动机熄火，并自动分离脱落，紧接着第二级发动机点火工作，推动二三级火箭和航天器继续加速前进，这时火箭的运行轨道按程度转弯，由垂直逐渐变得向地面弯曲，第二级火箭工作一段时间后，也在预定时间熄火并自行与第三级航天器分离后脱落，此时运载火箭已经熄火，推力等于零，第三级火箭和航天器即进入滑行阶段，依靠已经获得的能量在地球引力作用下用惯性飞行滑行，经过一段时间，当达到与预定轨道相切的位置时，即进入再加速阶段，按照指令使得第三级发动机点火，继续加速使航天器带到所需的环绕速度，然后在预定点把航天器弹出，航天器进入预定轨道做惯性飞行。

19、什么是空间平台，它有什么功能和特点？空间平台和空间站有什么关系？

答：空间平台是卫星技术和载人飞行技术相结合的产物。空间平台是一种可接受在轨定期维修、补给和有效载荷替换及产品回收的大型组合式航天器。它具有自主的运行能力，有时亦称为“自由飞行平台”。空间平台可为多种有效载荷集中提供结构、电源、通信、热控制、数据管理、姿态和轨道控制、机动等功能。

空间平台的特点是：能适应多种学科、多种技术、多种任务空间有效载荷需要；可进行多种组合；

适应大型有效载荷和不同仪器、设备需要；能提供大功率电源；高数据率；定期接受在轨服务；工作寿命从几个月、几年到永久性；研制操作成本低；能同时进行多科学相关观测；理想的空间材料加工、生产工作，研制平台投资省、风险小、周期短、见效快。

空间平台和空间站的关系

空间平台和空间站在未来的天基系统里都是独立的基本单元，它们协同工作，互相补充。空间平台不但可以完成空间站的许多任务，而且发展空间平台较空间站技术成熟，因而投资省、难度小、风险少、研制周期短、效益高，优先发展空间平台更有充分的理由和依据。

20、分别简述三轴稳定卫星、自旋卫星、双自旋卫星的定义与特点。

答：三轴稳定卫星就是卫星不旋转，本体在X、Y、Z 三个方向上均稳定，换言之就是与地球保持一定的姿态关系。优点是能适应绝大多数卫星应用，易于满足载荷的定向要求，轨控较易实现。明显缺点没有，但需要增加姿控系统（姿控推力器、动量轮等），对控制的要求也高些。

自旋稳定卫星就是利用卫星绕其主惯量轴旋转所产生的陀螺定轴性，保持自旋轴在惯性空间指向，以实现姿态稳定的卫星。自旋稳定卫星分为单自旋稳定卫星和双自旋稳定卫星。单自旋稳定卫星采用的是一种被动姿态稳定方式。按照陀螺定轴性的原理，只要卫星星体的自旋角动量足够大，在环境干扰力矩的作用下，角动量方向的漂移非常慢，就可以使卫星在惯性空间达到定向控制的目的。双自旋稳定卫星由转子和消旋平台两部分组成，两者通过轴和轴承连接起来。卫星中的大部分辅助系统都放在转子中，转子的质量比平台的大得多。转子恒速自旋使卫星自旋轴的姿态保持稳定。装在转子上的电动机使平台作反方向旋转。当平台相对于转子的转速与转子的转速相等时，平台即实现了消旋。这时平台上的有效载荷（如探测仪器、通信天线等）将稳定地对地定向。

21、什么是统一载波测控系统？简述其技术思想。

答：统一载波系统是指，系统只需使用一副天线及天线座、一套伺服系统、一套收发装置，即系统内的卫星本体和地面站公用一个载波就能完成跟踪、测角、测距、测速、遥测和遥控六项任务。这种技术刚出现时采用的是S 频段，因而也称为统一S 频段（USB）测控系统。

USB 的技术思想为：将星地间的信息交换渠道划分为上行链路和下行链路。所谓链路是指一台发射机、一台接收机和发收天线共同组成的通信路径。一条链路可包括多个信道，上行链路指由地面跟踪站向航天器发送信息所建立的多个信道，下行链路指航天器向地面观测站传送信息所建立的信道。上行、下行载波频率也保持一定的比例关系，国际上规定：240/221/ 下上f f 。

22、简述天宫一号与神州8号交汇对接过程中采用了哪些通信技术？哪些控制技术？

23、多级运载火箭的优缺点？

优点：:（1）由于多级运载火箭的每一级所负担的飞行任务能够独立进行工作，当推进剂燃烧完，这一级在完成了自己飞行任务后脱离系统。

（2）采用多级火箭，对每一级的推力大小、工作时间等可以灵活的选择，以适应于火箭质量不断减小，轨道倾斜度不断增加的变化。

（3）由于每一级运载火箭，当推进剂燃烧终了就被抛掉，新一级启动，加速度可以调整一次，不至于一直上升，这对于载人航天很有利。

缺点：（1）随着火箭级数的增加，必然带来整个多级火箭组合系统的复杂化；如控制问题，级数越多越复杂。

（2）由于多级运载火箭结构和控制的复杂性，不仅给设计带来了更多的困难，而更重要的是使多级运载火箭工作的可靠性降低了。

24、航天飞机的组成？外挂贮箱的作用是什么？

航天飞机由助推器，外挂贮箱和轨道器3部分组成：

外挂贮箱是一个庞大的尖头圆柱体，它有两个主要功用：为轨道器主发动机贮存和输送推进剂；在航天飞机轨道上升期间是连接轨道器和固体火箭助推器的支撑结构