航天器结构与机构题库及答案

《航天器结构与机构》题库及参考答案1.1什么是航天器结构？主要功能有哪些?指为航天器提供总体构型，为各分系统仪器设备提供支撑，承受和传递载荷，并保持一定刚度和尺寸稳定性的部件或附件的总称。

功能：承受载荷，安装设备，提供构型1.2什么是航天器机构？主要功能有哪些？指使航天器及其部件或附件完成规定动作或运动的机械部件。

功能：连接（压紧），释放，展开，分离，指向，承载1.3目前我国卫星的主结构采用的形式有哪些?中心承力筒结构，杆系结构，箱型板式结构，壳体结构1.4我国返回式航天器的主结构形式是什么?壳体结构：密封舱等舱体结构1.5航天器鉴定试验和验收试验有何不同？鉴定试验是初样阶段，是设计验证的最有效手段，是对设计思想和设计方法的验证验收试验是正样阶段，是对飞行产品的试验1.6什么是航天器的附件结构？特指在空间伸展在航天器本体之外的部件，如太阳翼和可展开天线。

1.7航天器机构与航天器结构的最主要区别是什么？机构指实现动作和运动的部件，结构指提供稳定构型的部件1.8航天器上的一次性机构有哪些？压紧与释放机构，展开机构，连接与分离机构1.9航天器的研制共分为哪几个阶段？可行性论证阶段，方案阶段，初样阶段，正样阶段1.10航天器的初样研制阶段工作重点是什么？通过初样产品的设计、制造和试验，对航天器结构与机构的设计进行全面鉴定，包括：设计对设计要求的符合程度；设计所采用的分析方法和分析结果的正确性；设计所采用的材料工艺的合理性和可行性；设计所需地面试验的合理性和可行性；设计的可靠性和质量保证措施，等等。

2.1 一般说，航天器承受的载荷最严重的时刻是在哪个过程？起飞（最大噪声）和跨音速时（最大气动载荷）2.2 在下面四个环境中，对航天器机构的影响最大的环境是哪个？（1）地面环境；（2）发射环境；（3）空间环境；（4）再入环境。

（2）发射环境2.3 分别简述发射环境和在轨环境对航天器结构与机构的影响。

（1）发射环境：起飞冲击与噪声：排气压力产生瞬态空气压力脉动，噪声诱发火箭和航天器振动。

最大气动载荷：在火箭飞行速度达到亚音速或超音速时，气流产生巨大压力脉动，使火箭产生像梁一样的低频弯曲振动。

分离引起的动载荷：发动机熄火与点火、级间分离、整流罩脱落、星箭分离等会引起航天器瞬态振动。

稳态加速度飞行：火箭和航天器受到稳态惯性力作用，惯性力方向与飞行方向相反。

非正常条件：发射失败，逃逸塔火箭点火，航天员逃离火箭。

（2）在轨环境：工作环境：机构运动引起的载荷、锁定与解锁的冲击等真空：材料的蒸发、升华与分解，造成质损和性能退化，出气污染，冷焊，润滑剂挥发与干摩擦效应。

温度交变：向阳区与向阴区的温度差产生温度应力，太阳辐照区与地球阴影区的交替运行产生温度交变应力。

辐射与原子氧：带电粒子辐射、紫外辐射降低高分子聚合物性能，原子氧磨蚀表面材料，降低涂层性能，微流星和空间碎片：可能撞击航天器，微小尘埃造成污染。

2.4 造成冷焊的主要原因是什么？在超高真空条件下，同种金属的两个洁净表面相互接触，在一定的压力作用下，经过一段时间后，两个接触面的金属分子发生互相渗透而融合，从而将两个物体连接成一体。

2.5 在发射时每级火箭发动机燃烧过程中，由航天器的加速度产生的载荷为何种载荷？静载荷2.6 什么是噪声载荷？噪声诱发火箭和航天器振动2.7 着陆冲击载荷是哪一种（1）高频瞬态振动载荷；（2）低频瞬态振动载荷；（3）高频随机振动载荷；（4）低频随机振动载荷。

（1）高频瞬态振动载荷2.8 我国航天器中的准静态载荷是什么？指静态载荷和动态载荷的综合结果2.9 航天器载荷条件中规定的载荷系数单位是什么？重力加速度2.10 已知结构的质量为100kg，载荷条件中的载荷系数为1.2，则该结构实际受的载荷是大致是多少牛顿？100*1.2*9.8=1176N3.1 空间环境对结构材料的影响有哪些？真空：材料发生蒸发、升华和分解，造成质损和性能降低，尤其是高分子聚合物材料和复合材料。

带电粒子辐射：质子、电子、β射线、γ射线、x射线等产生充放电效应，发生电离和原子位移，降低聚合物材料性能。

紫外辐射：影响光学镜头、薄膜材料的性能。

温度交变：产生热应力和热变形，出现疲劳、裂纹、变硬、变脆等现象。

原子氧：原子氧产生高温氧化和高速撞击，产生剥蚀效应造成材料损伤。

影响大的材料有银、锇、温控涂层、润滑材料、密封材料等3.2 对航天器结构材料一般有哪些性能方面的要求？密度要求：低密度机械性能要求：高弹性模量、高强度、高韧性。

物理性能要求：线膨胀系数小、比热容高、热导率大、电导率大（反射面材料）、电导率小（电池表面材料）。

环境稳定性要求：长期在轨的材料，尤其是直接暴露的表面材料，其性能的改变和尺寸变化在设计范围内。

制造工艺性要求：（1）具有良好的形状适应性：能制成杆件、板壳、薄壳等形状。

（2）具有良好的成型加工工艺：金属要能铸造、锻造、热处理等，复材要能铺层、固化成型。

（3）具有良好的结构加工工艺：能进行切削、焊接、胶结、涂层等加工。

3.2 铝合金的比重一般为多少？2.7（重规定为干燥物体完全密实（没有孔隙）的重量和同体积的纯水在4℃时的重量之比）3.3 选择比模量高的材料作为航天器结构材料的主要目的是什么？航天器需要采用较高刚度的结构，比模量高的材料可以使同等刚度结构设计时质量更小。

3.4 镁合金在航天器结构中的应用不如铝合金广泛，主要原因是什么？化学活泼性强、易腐蚀、材料稳定性差，长期工作温度不超过150 ℃。

3.5 钛合金的主要优缺点有哪些？优点：（1）密度低、强度高、比强度很高（2）高低温性能好，工作范围-273℃—500 ℃（3）抗腐蚀性好，耐大气、海水、酸、碱（4）抗疲劳性能好（5）热导率低，适于隔热构件（6）线膨胀系数低，尺寸稳定性好缺点：（1）弹性模量低，比模量值与铝镁相当（2）耐磨性差，不能作运动部件（3）加工工艺差，切削、焊接难度大（4）成本高（5）高温下可能发生氢脆现象，使性能下降，高温加工时需要保护。

3.6 复合材料主要由哪几部分构成？（1）增强体，决定复合材料的性能，有玻璃纤维、碳纤维、凯夫拉纤维、硼纤维（2）基体，起着支撑和保护增强体的作用，影响复合材料的部分性能，分树脂材料和金属材料两类。

（3）界面层，增强体外部的涂层，增强体通过界面层与基体融为一体，起到传递载荷的作用，确保增强体和基体结合牢固。

3.7 石墨纤维与一般的碳纤维相比，具有什么特点？高模量3.8 纵向热膨胀系数可能为负值的纤维材料是哪种纤维？碳纤维和凯夫拉纤维3.9 目前复合材料在航天器机构中没有大量应用的主要原因是什么？目前大多数复合材料均采用环氧基树脂作为基体材料，韧性低、抗冲击性差、耐热和耐湿性差、不适宜在室温下长期储存和时间长等等。

这些缺点均影响了目前复合材料应用范围的进一步扩大。

3.10 与金属材料相比，复合材料的最大特点是什么？复合材料的优点： 复合材料的缺点：1、密度低 1、横向和层间性能差2、模量高 2、韧性差3、强度高 3、二次加工性能差4、可设计性强 4、质量稳定性差5、热稳定性高 5、耐热耐湿性差6、二次加工少 6、成本高7、有独特的物理化学性能 7、耐空间环境能力差3.11 形状记忆合金的记忆效应的原理是什么？形状记忆合金（SMA ）在不同温度下有不同相变过程，在高温状态下为母相奥氏体状态，相变温度范围 ，当材料冷却到As 以下，成为另一种金相组织马氏体，相变温度范围Mf~Ms ，材料因相变而发生变形。

如果将材料加热到As 以上，将发生从马氏体到奥氏体的相变过程，材料自动恢复到原来的尺寸和形状，相当于有记忆功能。

分单向和双向记忆合金。

4.1 航天器结构设计的基本要求是什么？基本要求是航天器结构设计中必须始终遵循的基本原则，航天器结构设计的基本要求就是强度要求，即结构不能受到破坏。

4.2 航天器结构设计的强制要求是什么？强制要求实质上就是设计的约束条件，它一般是由运载火箭、航天器系统和其他分系统通过航天器系统下达的设计指标或要求。

它们是强制性的，但并不是不可更改的，在必要时有些指标（如基频、重量、温度环境等）也可在相互协调后做适当修正。

强制要求主要分为三类：运载火箭系统对航天器结构的设计约束；航天器系统对结构的设计约束；任务环境对结构的设计约束。

4.3 航天器结构设计的导出要求是什么？根据强制要求，通过分析论证和与各相关分系统充分协调后，对结构分系统的强制要求进行分析和转化，提出更具体的相关技术要求或技术指标，称之为导出要求。

导出要求包含了机、电、热各方面的设计要求，对不同结构，它的导出要求可能不完全相同。

4.4 什么是航天器的固有频率？航天器作自由振动时，其位移随时间按正弦规律变化，又称为简谐振动，简谐振动的频率航天器的固有频率。

4.5 安全裕度的定义是什么？在采用分析方法进行强度校核时，安全裕度定义为f s A A ~安全裕度（M.S ）=破坏载荷设计载荷−1设计载荷=使用载荷×设计安全系数有时直接采用材料的破坏应力来计算安全裕度更为确切和方便，破坏应力可以包括材料极限（断裂破坏）应力、屈服（塑性破坏）应力或结构的屈服应力，此时上式改写为安全裕度（M.S ）=破坏应力设计应力−1设计应力=使用应力×设计安全系数4.6 在航天器结构强度校核中，一般要求安全裕度的值是多少？按照结构强度设计规范，安全裕度值必须大于或等于零，具体数值可由航天器结构设计部门规定。

4.7 已知结构的飞行载荷为150Mpa ，破坏载荷为600Mpa ，取安全系数为2.0，则其安全裕度是多少？4.8 已知结构的破坏载荷与飞行载荷之比为3，要求安全裕度大于1，则至少取设计的安全系数为多少？4.9 已知方形截面杆的边长为1厘米，材料的破坏应力为300MPa ，取安全系数为1.5，为了保证安全裕度大于1，该杆最大可承受的载荷为多少？4.10 设一个铝合金圆管外径为Φ100mm ，受轴向拉力为N 310200 。

取安全系数为1.5，破坏强度为400MPa ，并且采用最大拉应力强度准则，为了保证在强度计算中安全裕度大于零，其壁厚应大致应取多少？4.11 优化设计问题的三个基本要素是什么？优化问题：设计变量、约束条件、目标函数。

5.1 航天器的模态的含义是什么？一个系统的模态是指系统固有频率及其相应的振动形式（或模态形状）5.2 航天器模态分析的最主要目的是什么？对航天器模态的要求（固有频率的要求）是大多数航天器结构设计，特别是卫星结构设计的重要要求。

是要分析整个航天器主要部件的模态，包括固有频率及其相应的振型5.3 什么是动态响应分析？航天器在整个飞行期间经受振动、声、冲击等各种复杂动力学载荷，这些载荷可能引起航天器结构和航天器上设备的失效和破坏，从而影响航天器的工作。