2025年大学《空间科学与技术》专业题库- 太空微重力环境中的材料测试

2025年大学《空间科学与技术》专业题库——太空微重力环境中的材料测试考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每题2分，共20分。请将正确选项的代表字母填在括号内）1.下列哪一项不是微重力环境区别于地面常重力环境的主要特征？A.物体表现为“失重”状态B.浮力对流体的传输起主导作用C.质量成为衡量物体惯性的唯一标准D.表面张力在流体行为中占据更重要的地位2.在微重力环境下，材料的凝固过程通常表现为：A.结晶速率显著降低B.温度梯度减小，成分均匀性提高C.易形成柱状晶或树枝晶D.沉淀物更容易沉降分离3.下列哪种材料测试方法在微重力环境下需要特别注意防止样品漂浮或飞溅？A.X射线衍射物相分析B.扫描电子显微镜表面形貌观察C.布氏硬度测试D.粉末压片密度测量4.空间微重力科学实验中，常利用中性浮力来模拟失重状态，其主要原理是：A.中性浮力产生的力与重力完全抵消B.中性浮力使物体在液体中保持悬浮，便于观察C.中性浮力可以完全消除液体的表面张力效应D.中性浮力只适用于密度小于液体的物体5.旋转设施（如旋转容器）作为微重力地面模拟装置，其主要局限性在于：A.无法模拟某些方向性的物理过程B.实现的微重力水平有限，且存在科里奥利力干扰C.设备成本过于昂贵，不易普及D.只能用于流体力学实验，不能用于固体材料研究6.微重力环境下，金属凝固过程中产生的对流显著减弱，这将主要影响：A.晶粒尺寸的均匀性B.材料内部的成分偏析C.晶体生长的方向性D.材料的力学性能7.用于空间站进行材料科学实验的“多功能实验平台”通常具备的功能不包括：A.在轨材料制备与加工B.材料性能原位表征与实时监测C.实验数据的自动记录与传输D.对地面生产线上不合格材料的修复8.微重力环境有利于制备哪种类型的晶体材料？A.具有复杂缺陷的晶体B.大尺寸、低缺陷、各向异性强的单晶C.多晶或非晶态材料D.具有特定光学活性的分子晶体9.在微重力环境下进行燃烧实验，火焰形态通常表现为：A.扩展面积大，高度低，呈球形或近似球形B.火焰高度显著增加，呈细长锥状C.火焰颜色变深，亮度增强D.完全熄灭，无法维持燃烧10.微重力材料测试面临的主要技术挑战之一是：A.实验设备过于简单，难以实现精确测量B.样品在微重力下容易发生形变或破坏C.如何精确模拟地面环境以进行对比实验D.实验数据传输带宽有限，影响实时分析二、填空题（每空1分，共15分。请将答案填在横线上）1.微重力环境通常指重力加速度低于______g的环境，其产生主要源于航天器在地球引力场中的______运动。2.微重力环境下，流体的输运主要依靠______、扩散和表面张力驱动，而______对流体的混合和传输作用大大减弱。3.为了在地面模拟微重力环境，除了中性浮力法，常用的还有______法和______法。4.材料在微重力下的凝固过程通常具有______、______和成分均匀性高等特点。5.在轨材料性能测试常利用______、光谱分析、热分析等技术手段，实现对材料______、力学性能等指标的测量。6.微重力环境对材料表面物理化学性质的影响，如______、润湿性等，是重要的研究方向。7.空间微重力科学实验面临的主要困难包括实验环境的______、______以及实验成本高昂等。三、简答题（每题5分，共20分）1.简述微重力环境下材料凝固过程中成分偏析减小的原因。2.比较旋转式地面模拟装置与自由落体式模拟装置在模拟微重力效果上的主要区别。3.简述进行微重力燃烧实验时，火焰形态与地面常重力环境下燃烧火焰形态的主要差异及其物理原因。4.列举至少三种在空间站上进行微重力材料性能测试的常用方法，并简述其基本原理。四、论述题（每题10分，共30分）1.论述微重力环境对材料科学研究的独特价值，并举例说明其在哪些具体领域具有重要应用前景。2.分析当前微重力材料测试技术面临的主要挑战，并探讨可能的解决方案或未来发展方向。3.假设你需要设计一个用于空间站原位测试某种合金凝固过程的实验方案，请简述你需要考虑的关键要素，包括测试对象、所需设备、关键参数、数据采集与处理方法等。---试卷答案一、选择题1.C2.B3.C4.B5.B6.B7.D8.B9.A10.B二、填空题1.0.001；轨道2.扩散；对流3.落塔；旋转4.晶粒细小；组织均匀5.显微镜；微观结构6.气体吸附/逸出速率7.控制难；数据后处理复杂三、简答题1.解析思路：微重力环境下，浮力驱动的对流显著减弱或消失，导致密度差异引起的组分迁移（即对流扩散）大大减弱。同时，扩散系数在微重力下可能因流体粘度变化等因素而有所改变，但在许多情况下，核心原因是对流减弱，使得密度梯度不易被宏观流动所消除，从而成分偏析减小。2.解析思路：旋转式模拟通过旋转产生的离心力提供等效加速度，模拟微重力环境。其效果是旋转半径处的物体感受到一个与重力方向相反、大小与距离中心距离成正比的力，但在中心轴上仍接近零重力。自由落体式模拟则是通过让实验装置和样品一同在大型落塔或droptower中自由下落，在自由下落期间，系统处于完全失重状态（自由落体加速度约等于当地重力加速度）。主要区别在于：旋转式是近似模拟，存在旋转效应和等效加速度梯度；自由落体式是在有限时间内提供近似真实的失重环境。3.解析思路：在常重力下，火焰的上升主要受浮力驱动，形成细长锥状，火焰根部与燃烧面之间的气流较强。在微重力下，浮力消失，对流减弱，燃烧产物和未燃气体主要依靠分子扩散扩散离开燃烧区。扩散速度远低于常重力下的对流速度，导致火焰难以上升，扩展面积增大，趋向于在燃烧表面附近形成一个较平缓的、接近球形的火焰层。4.解析思路：需要列举至少三种常用方法并简述原理。例如：①显微镜（光学/电子）：原理是利用可见光或电子束照射样品，通过物镜和目镜/探测器成像，观察材料的表面形貌或内部微观结构。②X射线衍射（XRD）：原理是利用X射线与材料原子相互作用产生的衍射现象，分析材料的晶体结构、物相组成等信息。③热分析（DSC/TGA）：原理是测量材料在程序控温过程中的热响应信号（如吸放热、质量变化），用以研究材料的相变、热稳定性、比热容、燃烧热等热物理性质。四、论述题1.解析思路：论述需包含微重力环境的独特性及其对材料科学过程的影响。独特性在于：①减小或消除了重力相关效应（浮力、对流、沉降等），使其他因素（如扩散、表面张力、毛细现象）相对突出。②提供了近乎完美的无容器环境，有利于材料自由生长或形态演变。价值体现在：可研究重力敏感现象的物理本质，制备在地面上难以获得的高品质材料（如单晶、均质合金、特殊多孔材料），发展新型材料制备工艺。应用前景可举例：航天应用（耐热结构材料、轻质高强合金）、电子工业（高纯晶体、薄膜）、生物医学（药物缓释载体、组织工程支架）等。2.解析思路：分析需点出主要挑战：①微重力环境（空间站/卫星）的获取成本极高，实验时间有限，空间资源受限。②在轨实验设备的开发、部署、操作和维护难度大，可靠性要求高。③样品制备、处理、测试过程中的微污染、微振动、辐射等干扰问题。④实验数据的精确测量、传输、处理与分析面临挑战。⑤地面模拟的局限性，难以完全复现真实微重力环境。解决方案/发展方向可探讨：发展更小型化、智能化、自动化的在轨实验系统；利用旋转设施等地面模拟手段进行更深入研究；结合数值模拟进行预测与优化；探索更低成本、更长时间的微重力平台（如高空抛射、抛物线飞行）；加强多学科交叉融合，提升实验和数据分析能力。3.解析思路：设计方案需考虑关键要素：①明确测试材料的具体化学成分和预期研究目标（例如，研究凝固过程中的晶粒生长行为、成分偏析情况等）。②选择合适的原位测试设备，如带有高温相机和热电偶的显微镜、X射线探针、差示扫描量热计（DSC）等，确保能在高温和微重力模拟环境下工作并进行原位观测。③确定关键测试参数，如加热速率