航天工程动力学原理习题集

航天工程动力学原理习题集姓名_________________________地址_______________________________学号______________________-------------------------------密-------------------------封----------------------------线--------------------------1.请首先在试卷的标封处填写您的姓名，身份证号和地址名称。2.请仔细阅读各种题目，在规定的位置填写您的答案。一、选择题1.航天器动力学的基本方程包括哪些？

A.牛顿第二定律

B.能量守恒定律

C.角动量守恒定律

D.航天器推进方程

E.航天器热力学方程

2.航天器在地球引力场中的运动轨迹是？

A.椭圆形

B.圆形

C.抛物线

D.双曲线

3.航天器在轨道上的速度与轨道高度之间的关系是什么？

A.速度与高度成正比

B.速度与高度成反比

C.速度与高度无关

D.速度与高度平方成反比

4.航天器变轨的目的是什么？

A.提高航天器速度

B.改变航天器轨道高度

C.增加航天器轨道倾角

D.以上都是

5.航天器姿态控制的基本方法有哪些？

A.反作用力矩

B.推进剂喷气

C.反射镜控制

D.以上都是

6.航天器推进系统的主要类型有哪些？

A.化学推进系统

B.电推进系统

C.核推进系统

D.以上都是

7.航天器在空间中的热力学环境特点是什么？

A.空间辐射强度高

B.温度波动大

C.真空环境

D.以上都是

8.航天器在空间中的电磁环境特点是什么？

A.磁暴现象

B.太阳粒子事件

C.星际尘埃

D.以上都是

答案及解题思路：

1.答案：ABCD

解题思路：航天器动力学的基本方程应包括牛顿第二定律、能量守恒定律、角动量守恒定律、航天器推进方程以及航天器热力学方程。

2.答案：A

解题思路：航天器在地球引力场中的运动轨迹通常为椭圆形，其中近地点和远地点为椭圆的两个焦点。

3.答案：D

解题思路：根据开普勒第二定律，航天器在轨道上的速度与轨道高度平方成反比。

4.答案：D

解题思路：航天器变轨的目的可能包括提高速度、改变轨道高度、增加轨道倾角等，以实现特定的任务需求。

5.答案：D

解题思路：航天器姿态控制的基本方法包括反作用力矩、推进剂喷气、反射镜控制等。

6.答案：D

解题思路：航天器推进系统的主要类型包括化学推进系统、电推进系统和核推进系统。

7.答案：D

解题思路：航天器在空间中的热力学环境特点包括空间辐射强度高、温度波动大、真空环境等。

8.答案：D

解题思路：航天器在空间中的电磁环境特点包括磁暴现象、太阳粒子事件、星际尘埃等。二、填空题1.航天器动力学的基本方程为牛顿第二定律在航天器运动中的应用，即\(F=m\cdota\)，其中\(F\)是作用在航天器上的合外力，\(m\)是航天器的质量，\(a\)是航天器的加速度。

2.航天器在地球引力场中的运动轨迹为椭圆轨道，这种轨迹符合开普勒定律，其中近地点是航天器距离地球最近的点，远地点是航天器距离地球最远的点。

3.航天器在轨道上的速度与轨道高度之间的关系为开普勒第三定律，即\(v=\sqrt{\frac{GM}{r}}\)，其中\(v\)是航天器的轨道速度，\(G\)是万有引力常数，\(M\)是地球的质量，\(r\)是航天器到地球中心的距离。

4.航天器变轨的目的是为了改变航天器的轨道参数，如轨道高度、轨道倾角、轨道偏心率等，以满足任务需求或调整航天器的飞行路径。

5.航天器姿态控制的基本方法有反作用轮控制、喷气推力控制、磁浮推进控制等，这些方法通过改变航天器的角动量来实现姿态的调整。

6.航天器推进系统的主要类型有化学推进、电推进、离子推进和核推进等，它们分别利用化学反应、电磁场作用、粒子加速和核反应来产生推力。

7.航天器在空间中的热力学环境特点是极端的温度变化，从太阳直射下的高温到背阴面的低温，这种温差可达数百摄氏度。

8.航天器在空间中的电磁环境特点是辐射水平高，包括宇宙射线、太阳辐射、地球辐射带等，这些辐射对航天器的电子设备和乘员健康有潜在威胁。

答案及解题思路：

1.答案：牛顿第二定律在航天器运动中的应用。

解题思路：根据航天器动力学的基本原理，选择牛顿第二定律作为描述航天器运动的基本方程。

2.答案：椭圆轨道。

解题思路：结合开普勒定律，航天器在地球引力场中的运动轨迹为椭圆。

3.答案：\(v=\sqrt{\frac{GM}{r}}\)。

解题思路：运用开普勒第三定律，根据航天器轨道高度和地球质量计算速度。

4.答案：航天器的轨道参数。

解题思路：变轨的目的是调整航天器的轨道参数，以适应任务需求。

5.答案：反作用轮控制、喷气推力控制、磁浮推进控制等。

解题思路：列举航天器姿态控制的基本方法，这些方法用于调整航天器的姿态。

6.答案：化学推进、电推进、离子推进和核推进。

解题思路：根据航天器推进系统的分类，列出主要类型。

7.答案：极端的温度变化。

解题思路：分析航天器在空间中的热力学环境，指出温度变化的极端性。

8.答案：辐射水平高。

解题思路：考虑航天器在空间中的电磁环境，指出辐射水平较高。三、判断题1.航天器动力学的基本方程是常微分方程。

答案：正确

解题思路：航天器动力学的基本方程描述了航天器在空间中的运动规律，这些方程通常涉及到航天器的位置、速度、加速度等参数，它们通常以常微分方程的形式给出。

2.航天器在地球引力场中的运动轨迹是抛物线。

答案：错误

解题思路：在地球引力场中，不考虑空气阻力等因素时，航天器的运动轨迹是椭圆轨道，而不是抛物线。抛物线是二体问题中特定初始条件下的一种轨迹。

3.航天器在轨道上的速度与轨道高度呈线性关系。

答案：错误

解题思路：航天器在轨道上的速度与轨道高度不是线性关系，而是平方根关系。根据开普勒第三定律，轨道速度与轨道半径的平方根成正比。

4.航天器变轨的目的是为了改变轨道高度。

答案：正确

解题思路：航天器变轨（轨道机动）的主要目的是改变航天器的轨道高度，以便进入不同的轨道或执行特定的任务。

5.航天器姿态控制的基本方法有自旋稳定和三轴稳定。

答案：正确

解题思路：自旋稳定和三轴稳定是航天器姿态控制中的两种基本方法。自旋稳定是通过自旋产生的离心力来保持航天器的姿态；三轴稳定则涉及控制航天器的三个轴以维持特定姿态。

6.航天器推进系统的主要类型有化学推进、电推进和核推进。

答案：正确

解题思路：航天器推进系统可以根据推进剂类型分为化学推进、电推进和核推进。每种类型都有其特点和适用场景。

7.航天器在空间中的热力学环境特点是温度低、压力低。

答案：正确

解题思路：空间环境通常具有非常低的温度和压力，这对航天器的热控制和结构设计提出了挑战。

8.航天器在空间中的电磁环境特点是辐射强、磁干扰大。

答案：正确

解题思路：空间环境中的辐射水平较高，且存在强烈的磁场干扰，这对航天器的电子设备和宇航员的安全构成了威胁。四、简答题1.简述航天器动力学的基本方程及其应用。

基本方程：航天器动力学的基本方程主要包括牛顿运动定律、万有引力定律和角动量守恒定律。具体而言，牛顿第二定律描述了航天器在力作用下的加速度，万有引力定律描述了航天器与地球之间的引力作用，角动量守恒定律描述了航天器在无外力矩作用下的角动量保持不变。

应用：这些方程被广泛应用于航天器轨道计算、姿态控制、推进系统设计等方面。

2.简述航天器在地球引力场中的运动轨迹及其影响因素。

运动轨迹：在地球引力场中，航天器的运动轨迹通常呈椭圆形，称为轨道。轨道参数包括半长轴、偏心率、倾角、升交点赤经和近地点幅角。

影响因素：影响航天器运动轨迹的主要因素包括地球的引力、太阳和其他天体的引力扰动、大气阻力等。

3.简述航天器变轨的目的及其方法。

目的：变轨的目的是为了改变航天器的轨道参数，使其满足特定的任务需求，如调整轨道高度、改变轨道倾角等。

方法：变轨方法主要包括火箭推进、轨道机动、重力辅助等方式。

4.简述航天器姿态控制的基本方法及其应用。

基本方法：航天器姿态控制的基本方法包括反应轮控制、喷气推力控制、磁力控制等。

应用：姿态控制被广泛应用于航天器的定向、稳定、轨道机动等方面。

5.简述航天器推进系统的类型及其特点。

类型：航天器推进系统主要包括化学推进、电推进、离子推进和核推进等。

特点：不同类型的推进系统具有不同的特点和适用范围，如化学推进具有高推力、短行程的特点，而电推进具有低推力、长行程的特点。

6.简述航天器在空间中的热力学环境及其对航天器的影响。

热力学环境：航天器在空间中的热力学环境主要包括太阳辐射、地球反照率、空间碎片等。

影响：这些因素会导致航天器表面温度变化，影响航天器的结构和功能。

7.简述航天器在空间中的电磁环境及其对航天器的影响。

电磁环境：航天器在空间中的电磁环境主要包括太阳辐射、地球磁场、空间辐射等。

影响：电磁环境会对航天器的电子设备产生干扰，影响航天器的正常工作。

8.简述航天器动力学在航天工程中的应用。

应用：航天器动力学在航天工程中的应用包括轨道设计、姿态控制、推进系统设计、热控制设计等方面。

答案及解题思路：

1.答案：航天器动力学的基本方程包括牛顿运动定律、万有引力定律和角动量守恒定律。应用包括轨道计算、姿态控制、推进系统设计等。

解题思路：首先明确航天器动力学的基本方程，然后结合具体应用场景，如轨道计算、姿态控制等，阐述方程的应用。

2.答案：航天器在地球引力场中的运动轨迹呈椭圆形，影响因素包括地球引力、太阳和其他天体的引力扰动、大气阻力等。

解题思路：描述航天器运动轨迹的基本形状，然后列举影响轨迹的因素。

3.答案：航天器变轨的目的是为了改变轨道参数，方法包括火箭推进、轨道机动、重力辅助等。

解题思路：明确变轨的目的，然后列举变轨的方法。

4.答案：航天器姿态控制的基本方法包括反应轮控制、喷气推力控制、磁力控制等，应用包括定向、稳定、轨道机动等。

解题思路：描述姿态控制的方法，然后列举应用场景。

5.答案：航天器推进系统包括化学推进、电推进、离子推进和核推进等，特点包括高推力、低推力、长行程等。

解题思路：列举推进系统的类型，然后描述其特点。

6.答案：航天器在空间中的热力学环境包括太阳辐射、地球反照率、空间碎片等，影响包括表面温度变化、结构和功能影响等。

解题思路：描述热力学环境，然后列举其对航天器的影响。

7.答案：航天器在空间中的电磁环境包括太阳辐射、地球磁场、空间辐射等，影响包括电子设备干扰、正常工作影响等。

解题思路：描述电磁环境，然后列举其对航天器的影响。

8.答案：航天器动力学在航天工程中的应用包括轨道设计、姿态控制、推进系统设计、热控制设计等。

解题思路：列举航天器动力学在航天工程中的应用领域。五、计算题1.已知航天器在圆形轨道上的速度为7.9km/s，求该轨道的高度。

解答：

轨道高度\(h\)可以通过以下公式计算：

\[

h=\left(\frac{v^2}{g}R\right)R

\]

其中\(v\)是轨道速度，\(g\)是地球表面重力加速度，\(R\)是地球半径。

\[

h=\left(\frac{(7.9\times10^3)^2}{9.81}6.371\times10^6}\right)6.371\times10^6

\]

计算得：

\[

h\approx357\text{km}

\]

2.已知航天器在椭圆轨道上的近地点速度为10km/s，远地点速度为5km/s，求该轨道的半长轴。

解答：

椭圆轨道的半长轴\(a\)可以通过以下公式计算：

\[

a=\frac{v_1^2v_2^2}{2}

\]

其中\(v_1\)是近地点速度，\(v_2\)是远地点速度。

\[

a=\frac{(10\times10^3)^2(5\times10^3)^2}{2}

\]

计算得：

\[

a\approx62500\text{km}

\]

3.已知航天器在地球引力场中的运动轨迹为抛物线，求该轨迹的方程。

解答：

抛物线轨迹的方程可以通过以下公式表示：

\[

y=\frac{gR^2}{2v^2}x^2

\]

其中\(g\)是地球表面重力加速度，\(R\)是地球半径，\(v\)是航天器的速度。

4.已知航天器在轨道上的速度为8km/s，求该轨道的周期。

解答：

轨道周期\(T\)可以通过以下公式计算：

\[

T=\frac{2\pir}{v}

\]

其中\(r\)是轨道半径，\(v\)是轨道速度。

需要根据轨道速度和地球半径计算轨道半径\(r\)，然后计算周期。

5.已知航天器变轨时，初始轨道高度为200km，最终轨道高度为400km，求变轨所需的推力。

解答：

变轨所需的推力\(F\)可以通过以下公式计算：

\[

F=\frac{m(v_f^2v_i^2)}{r}

\]

其中\(m\)是航天器的质量，\(v_i\)是初始轨道速度，\(v_f\)是最终轨道速度，\(r\)是轨道半径。

6.已知航天器姿态控制采用三轴稳定方法，求姿态控制系统的基本方程。

解答：

姿态控制系统的基本方程可以通过以下形式表示：

\[

\dot{\omega}=C(\tau,\omega,\omega_d)

\]

其中\(\omega\)是姿态角速度，\(\omega_d\)是期望姿态角速度，\(\tau\)是控制力矩，\(C\)是控制矩阵。

7.已知航天器推进系统采用化学推进，求推进剂的质量流量与推力的关系。

解答：

推进剂的质量流量\(\dot{m}\)与推力\(F\)的关系可以通过以下公式表示：

\[

F=\dot{m}\cdotv_e

\]

其中\(v_e\)是喷气速度。

8.已知航天器在空间中的热力学环境温度为100℃，求航天器表面的热辐射功率。

解答：

热辐射功率\(P\)可以通过以下公式计算：

\[

P=\sigmaAT^4

\]

其中\(\sigma\)是斯特藩玻尔兹曼常数，\(A\)是航天器表面的面积，\(T\)是航天器表面的温度。

答案及解题思路内容：

1.通过轨道速度和地球引力公式计算轨道高度。

2.使用开普勒第二定律计算椭圆轨道的半长轴。

3.利用抛物线方程和地球引力公式计算抛物线轨迹方程。

4.通过轨道速度和地球引力公式计算轨道半径，再计算周期。

5.根据变轨前后的速度和轨道半径计算所需的推力。

6.描述姿态控制系统的动态方程，通常涉及角动量和控制力矩。

7.使用喷气速度和质量流量公式计算推力。

8.通过斯特藩玻尔兹曼定律计算热辐射功率。六、论述题1.论述航天器动力学在航天工程中的应用及其重要性。

解题思路：首先简要介绍航天器动力学的基本概念和作用，然后具体论述其在航天器轨道设计、发射过程控制、姿态控制等方面的应用，最后分析其重要性，强调航天器动力学在航天工程中的核心地位。

答案：航天器动力学是研究航天器在太空中的运动规律和动力学的科学。在航天工程中，航天器动力学广泛应用于以下几个方面：①航天器轨道设计，包括发射窗口的选择、轨道调整和优化等；②发射过程控制，如火箭推力计算、姿态控制等；③姿态控制，如航天器的稳定、指向等。航天器动力学的重要性在于：①为航天器轨道设计提供理论依据，保证航天器在预定轨道上正常运行；②优化发射过程，降低发射风险，提高发射成功率；③实现航天器的稳定、指向等姿态控制，保证航天器在空间中的各项任务顺利进行。

2.论述航天器变轨的原理及其影响因素。

解题思路：首先阐述航天器变轨的基本原理，然后分析影响航天器变轨的主要因素，包括火箭推进系统、轨道动力学等。

答案：航天器变轨是利用火箭推进系统对航天器进行速度、轨道和姿态的调整。其原理为：通过改变航天器的速度、方向和高度，使航天器进入新的轨道。影响航天器变轨的主要因素有：①火箭推进系统的推力大小、推力持续时间、燃料消耗等；②轨道动力学参数，如地球引力场、太阳辐射压等；③航天器本身的质心、质量分布、空气阻力等。

3.论述航天器姿态控制的方法及其优缺点。

解题思路：首先列举航天器姿态控制的主要方法，如反作用火箭控制、陀螺仪控制等，然后分别分析各种方法的优缺点。

答案：航天器姿态控制的方法主要包括以下几种：①反作用火箭控制，优点是简单、直接，但推力消耗大；②陀螺仪控制，优点是响应速度快，缺点是成本高、维护难度大；③磁场控制，优点是成本低、响应速度快，但控制精度有限；④太阳能帆板控制，优点是响应速度快，但控制精度有限。各种方法均有优缺点，在实际应用中需根据具体情况选择合适的方法。

4.论述航天器推进系统的类型及其特点。

解题思路：首先介绍航天器推进系统的类型，然后分别分析各类推进系统的特点。

答案：航天器推进系统主要包括以下类型：①固体火箭推进系统，特点是结构简单、成本低、易于维护，但推力较小、持续时间短；②液体火箭推进系统，特点是推力大、持续时间长，但结构复杂、成本高；③电推进系统，特点是推力小、持续时间长，但能源消耗大；④核推进系统，特点是推力大、持续时间长，但安全性问题突出。各类推进系统均有各自的特点，需根据实际需求选择合适的推进系统。

5.论述航天器在空间中的热力学环境及其对航天器的影响。

解题思路：首先描述航天器在空间中的热力学环境，然后分析这种环境对航天器的影响，如温度波动、辐射损伤等。

答案：航天器在空间中的热力学环境主要包括：①太阳辐射，包括直接辐射和间接辐射；②地球反照率；③大气稀薄度；④航天器表面性质。这种热力学环境对航天器的影响包括：①温度波动，导致航天器材料功能下降；②辐射损伤，影响航天器电子设备的正常运行。

6.论述航天器在空间中的电磁环境及其对航天器的影响。

解题思路：首先描述航天器在空间中的电磁环境，然后分析这种环境对航天器的影响，如辐射效应、电磁干扰等。

答案：航天器在空间中的电磁环境主要包括：①宇宙辐射，如太阳粒子、银河系粒子等；②太阳风；③地球磁层；④航天器电子设备的电磁辐射。这种电磁环境对航天器的影响包括：①辐射效应，导致航天器电子设备功能下降；②电磁干扰，影响航天器通信和导航系统。

7.论述航天器动力学在航天器设计中的应用及其作用。

解题思路：首先阐述航天器动力学在航天器设计中的重要作用，然后列举具体应用案例，如轨道设计、姿态控制等。

答案：航天器动力学在航天器设计中的重要作用体现在以下几个方面：①轨道设计，保证航天器在预定轨道上运行；②姿态控制，实现航天器的稳定、指向等要求；③热力学和电磁环境分析，保证航天器在恶劣环境中正常运行。具体应用案例包括：①发射窗口的选择；②航天器轨道调整和优化；③航天器姿态控制等。

8.论述航天器动力学在航天器测试中的应用及其意义。

解题思路：首先说明航天器动力学在航天器测试中的应用，然后分析其在航天器测试中的意义，如提高测试精度、缩短测试周期等。

答案：航天器动力学在航天器测试中的应用主要体现在以下几个方面：①航天器运动参数的测量和计算；②航天器动力系统的测试；③航天器热力学和电磁环境的测试。其在航天器测试中的意义包括：①提高测试精度，保证航天器质量；②缩短测试周期，降低测试