2025年大学《空间科学与技术》专业题库- 探索太空的科学挑战

2025年大学《空间科学与技术》专业题库——探索太空的科学挑战考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分）1.以下哪项不是近地轨道航天器面临的主要空间环境威胁？A.高能电子和质子辐射B.微流星体撞击C.地球同步旋转引起的巨大离心力D.原子氧腐蚀2.为应对深空探测中距离地球遥远导致的通信延迟问题，下列哪种技术策略是无效的？A.提高航天器自身计算和数据存储能力，减少地面指令依赖B.设计自主导航和决策系统，减少对地频密通信需求C.放弃高带宽、高清晰度图像传输，仅传输关键数据D.极大增加地面深空网络天线尺寸，提升信号接收强度3.航天器热控制系统需要应对的极端温度变化主要来源于：A.地球磁场强度的日夜变化B.航天器内部电子设备工作时产生的热量不均C.航天器在阳光直射和阴影区之间快速转换D.太空中的静电力变化4.在设计用于外太空探测器的光谱仪时，以下哪种因素对其性能提升贡献最小？A.提高探测器元件的灵敏度B.优化探测器冷却系统以减少自身热辐射干扰C.增加光谱仪的物理尺寸D.采用先进的滤光技术以排除特定波段噪声5.空间碎片对在轨航天器构成的主要威胁不包括：A.撞击导致的表面材料损伤B.引起航天器结构共振，导致姿态失控C.碎片携带的未知生物危害D.碎片产生的电磁脉冲干扰6.对于需要长期在轨运行、无法频繁接收地面指令的航天器，其设计必须优先考虑：A.造型美观与可重复使用性B.高度自主的故障诊断与恢复能力C.最低的发射成本D.最大的人性化操作界面7.人类目前进行的空间探测活动，其最直接的“科学挑战”之一是如何有效突破地球大气的阻隔，以实现更远距离、更高精度的观测。A.对B.错8.使用核能作为航天器电源的主要优势在于其能量密度高，但伴随的科学挑战是辐射屏蔽设计和长期运行的安全性评估。A.对B.错9.在进行载人深空探测任务规划时，生命保障系统是面临的最核心和最复杂的科学挑战之一。A.对B.错10.空间活动产生的空间碎片问题，其科学挑战不仅在于如何清除已有碎片，更在于如何通过国际合作和法规制定，预防未来碎片产生。A.对B.错二、填空题（每空2分，共20分）1.航天器在太空中面临的主要环境因素包括真空、温度剧变、______、微流星体和空间碎片等。2.为了减少航天器再入大气层时因高速摩擦产生的巨大热量，通常采用耐高温的______材料和特定的再入姿态控制技术。3.空间通信中，由于地球曲率和无线电波传播特性，存在一个无法被地面测控站直接覆盖的地理区域，该区域被称为______。4.利用卫星遥感技术对地观测时，需要克服大气层的______和对地观测角度限制带来的图像模糊或信息失真问题。5.空间探测器的姿态控制系统需要精确指向目标或保持特定姿态，其核心挑战在于如何在高动态环境下实现______和稳定控制。6.对于未来的星际航行，目前面临的主要物理学挑战之一是如何有效克服巨大的______。7.太空中的原子氧具有高反应活性，会对航天器表面涂层和材料造成缓慢但持续的______。8.在设计空间探测任务的轨道时，需要综合考虑航天器能量、______、任务窗口以及测控覆盖率等多种因素。9.为了确保航天器内部电子设备在空间辐射环境下可靠工作，通常需要采用冗余设计、辐射加固芯片或______等措施。10.空间科学研究的可持续发展，要求未来的空间活动必须更加注重______，减少对空间环境的长期负面影响。三、简答题（每题5分，共20分）1.简述微流星体撞击对航天器可能造成的几种主要破坏形式。2.简要说明太阳能电池帆板在空间应用中面临的主要挑战及其原因。3.简述实现远距离空间通信需要克服的主要技术难点。4.简述进行空间科学观测时，如何利用航天器的机动变轨来克服单一轨道的局限性。四、论述题（每题10分，共30分）1.论述航天器热控制系统设计所面临的主要科学挑战，并说明为应对这些挑战，工程师们通常会采用哪些关键技术和策略。2.结合具体实例，论述在轨航天器进行自主故障诊断与修复所涉及的关键技术及其面临的科学挑战。3.探讨人类开展太空探测活动（特别是深空和远距离探测）所必须应对的几项核心科学挑战，并分析这些挑战对空间科技发展方向的指引作用。---试卷答案一、选择题1.C*解析思路：近地轨道航天器主要威胁来自空间辐射、微流星体、原子氧、真空等环境因素。地球同步旋转引起的巨大离心力在远高于近地轨道的高度才显著，并非近地轨道的主要威胁。2.D*解析思路：通信延迟是深空探测固有难题，无法通过单纯增加地面天线尺寸来根本解决延迟问题，信号传播速度是光速，天线尺寸主要影响接收灵敏度而非时间延迟。A、B、C都是应对策略。3.C*解析思路：航天器在阳光直射和阴影区之间快速转换，导致吸收的太阳辐射能急剧变化，产生巨大的温度波动，这是热控制系统需要应对的最主要因素。4.C*解析思路：光谱仪性能提升主要依靠提高灵敏度、改善信噪比（如优化冷却）、使用先进滤光技术排除干扰。增加物理尺寸不直接等同于性能提升，甚至可能增加重量和成本，贡献最小。5.C*解析思路：空间碎片主要威胁是物理撞击损伤、引起结构共振和电磁干扰。碎片通常不含生物，其生物危害主要是碎片本身造成的物理伤害，而非携带未知生物。6.B*解析思路：无法频繁接收地面指令意味着航天器必须具备高度的自主性，能够独立判断状态、诊断故障并尝试恢复，这是长期在轨运行的关键要求。7.A*解析思路：地球大气层确实阻碍了无线电波等探测手段的远距离和高精度观测，这是进行空间探测，特别是深空探测必须克服的核心挑战之一。8.A*解析思路：核能优点是能量密度高，缺点是伴随强烈的辐射，因此必须进行复杂的辐射屏蔽设计，同时要确保长期运行的安全性和事故后果的可控性，这是核心挑战。9.A*解析思路：为宇航员提供持续、稳定的生命支持（氧气、水、食物、温度、压力等）是载人航天最根本、最复杂的技术挑战之一。10.A*解析思路：空间碎片问题不仅是技术上的清除难题，更是涉及国际协调、法规制定、责任认定等复杂性的管理问题，预防未来的产生是其中的核心挑战。二、填空题1.空间辐射*解析思路：空间环境的主要威胁因素除了真空和温度，最显著的就是来自太阳和宇宙的高能粒子、高能电磁辐射，即空间辐射。2.耐高温烧蚀*解析思路：再入大气层产生巨大热量，需要材料能够承受高温并发生可控的烧蚀（表面材料汽化吸热）来保护内部结构，如碳基复合材料、陶瓷涂层等。3.覆盖盲区(或盲区)*解析思路：由于地球曲率，地面测控站视线只能覆盖特定纬度范围，超出范围的部分无法直接通信，这个区域称为覆盖盲区或盲区。4.透射/吸收/散射(任一即可)*解析思路：大气层对电磁波具有透射、吸收和散射作用，特别是水汽、云层、臭氧层等会阻碍或扭曲无线电波和可见光，影响地面观测质量。5.高精度指向(或精确指向)*解析思路：姿态控制的目标是将航天器精确指向科学仪器观测目标或保持特定姿态（如朝向太阳、地球），在高动态环境下维持这种精度是巨大挑战。6.星际航行(或光速旅行)*解析思路：克服星际距离（通常是数光年甚至更远）需要极高的推进速度，目前物理学对如何有效产生如此高的速度（如接近光速）面临巨大挑战。7.腐蚀*解析思路：原子氧在高真空下具有高反应活性，会与航天器表面的聚合物、金属等材料发生化学反应，导致材料性能下降、表面粗糙化，即腐蚀。8.轨道机动能力(或机动变轨能力)*解析思路：设计轨道需要考虑航天器是否有能力通过燃料消耗进行变轨，以进入目标轨道、修正轨道偏差或执行科学探测任务所需的特定轨道机动。9.屏蔽(或辐射屏蔽)*解析思路：为了保护电子元件不受空间辐射损伤，除了使用抗辐射器件，还必须设计有效的物理屏蔽层（如金属材料、厚塑料、水墙等）来吸收或偏转辐射。10.可持续性(或环境友好性)*解析思路：可持续发展要求空间活动要能够长期进行，并且尽量减少对空间环境（如产生碎片、电磁干扰）和地球环境的负面影响，体现可持续性或环境友好性原则。三、简答题1.简述微流星体撞击对航天器可能造成的几种主要破坏形式。*解析思路：从物理破坏和功能影响两方面回答。物理上可能包括表面材料穿孔、刻蚀、剥落；结构上可能造成应力集中导致裂纹、连接件松动或断裂；功能上可能导致传感器光学元件模糊或损坏、线路中断、散热孔堵塞等。2.简要说明太阳能电池帆板在空间应用中面临的主要挑战及其原因。*解析思路：主要挑战包括：空间辐射导致电池效率衰减和寿命缩短；温度剧烈变化影响电池工作性能和材料老化；微流星体和空间碎片的撞击可能造成物理损伤；太阳活动（如日冕物质抛射）导致太阳辐射增强，加剧电池损耗。原因在于这些因素都是空间环境的固有特性，直接作用于太阳能电池材料和工作原理。3.简述实现远距离空间通信需要克服的主要技术难点。*解析思路：主要难点有：信号传播时延巨大，导致实时通信困难，需要高自主性；信号强度随距离平方反比急剧衰减，需要大功率发射机、高灵敏度接收机和大尺寸天线；地球自转和航天器运动导致收发路径不断变化，需要复杂的测控站网络和天线跟踪系统；深空环境噪声大，信噪比低，对接收技术要求极高。4.简述进行空间科学观测时，如何利用航天器的机动变轨来克服单一轨道的局限性。*解析思路：说明变轨的作用在于改变航天器的观测位置和视角。例如，通过变轨可以飞临目标天体进行近距离观测或飞越特定事件发生区域；可以从不同高度或不同太阳同步轨道进行观测，获取不同分辨率或光照条件下的数据；可以通过周期性的轨道机动实现对特定区域或天体的重复观测；变轨是执行空间探测任务、获取完整科学数据的关键手段。四、论述题1.论述航天器热控制系统设计所面临的主要科学挑战，并说明为应对这些挑战，工程师们通常会采用哪些关键技术和策略。*解析思路：首先阐述主要挑战：如何精确预测和测量航天器在不同空间环境和姿态下的热负荷分布；如何在巨大的温差范围内，保证航天器各部件（特别是电子设备）工作在允许的温度区间；如何实现高效、可靠的热量传输和排放；如何控制热变形和热应力对结构精度和寿命的影响；如何考虑材料老化、发射振动、空间环境（如辐射、原子氧）对热系统长期可靠性的影响。然后说明应对策略：采用热分析软件进行精确的热仿真和预测；利用多种传热方式组合（传导、对流、辐射），设计高效散热器；采用被动式（如热管、相变材料、散热鳍片）和主动式（如电加热器、泵强制循环）散热技术；进行材料选择和结构优化以降低热变形和热应力；进行严格的地面环境模拟测试和长期在轨验证。2.结合具体实例，论述在轨航天器进行自主故障诊断与修复所涉及的关键技术及其面临的科学挑战。*解析思路：阐述自主故障诊断与修复的重要性（提高任务成功率、延长航天器寿命）。关键技术包括：状态监测与感知技术（传感器网络、数据采集）；故障检测、隔离与定位（FDIR）算法；智能诊断推理技术（基于模型、基于案例、机器学习）；自主决策与重构技术；在轨维护操作技术（如机械臂操作、机器人辅助维修、软件重配置、模块更换）。面临的科学挑战：传感器精度和可靠性问题导致诊断信息不完善；复杂系统故障模式多样且难以预测；FDIR算法需要处理高维、非线性、时变数据并具备鲁棒性；自主决策需要考虑安全性、最优性；在轨修复操作技术难度大、风险高，需要精确的遥操作或自主操作能力；缺乏地面支持，所有环节必须高度可靠。可结合实例，如国际空间站（ISS）的自主维护操作、一些卫星的FDIR系统应用等。3.探讨人类开展太空探测活动（特别是深空和远距离探测）所必须应对的几项核心科学挑战，并分析这些挑战对空间科技发展方向的指引作用。*解析思路：列举核心科学挑战，如：克服巨大的能量需求和高效的能源获取/转化技术（特别是深空）；解决长距离、大时延的通信与控制难题（需要更高自主性、先进通信技术）；实现长寿命、高可靠性的航天器设计和制造（需要新材料、冗余设计、智能管理）；应对极端空间环境和未知天体环境的物理威胁（辐射、微流星体、未知物质）；开发安全、高效的推进技术以实现更快、更远的星际旅行（需要革命性