2025年大学《空间科学与技术》专业题库- 行星大气探测仪器高温耐久设计

2025年大学《空间科学与技术》专业题库——行星大气探测仪器高温耐久设计考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每题3分，共15分）1.在设计用于木星卫星探测器的光学仪器时，以下哪种效应由于木星自身强烈的辐射和行星大气加热而最需要特别关注？()A.仪器内部电子元器件的静电损伤B.光学元件表面涂层在高温下的化学分解C.仪器结构材料在热梯度下的热疲劳D.探测器收集到的目标天体信号被背景星光淹没2.对于需要在金星表面进行探测的仪器，以下哪种材料因其优异的高温强度和抗氧化性而成为关键承力结构件的首选材料之一？()A.铝合金6061B.不锈钢304C.镍基高温合金Inconel718D.铜合金C110003.在行星大气探测仪器中，热管被广泛用作高效传热元件，其主要优势不包括以下哪项？()A.具有极高的导热系数B.可以在很小的温差下高效传热C.对振动不敏感，可靠性高D.结构复杂，制造成本高4.若行星探测仪器某部件在高温环境下工作，其尺寸稳定性变得至关重要。以下哪种失效模式主要与材料在高温下的蠕变行为有关？()A.热应力破裂B.热电腐蚀C.尺寸缓慢增长或收缩D.热冲击破坏5.对于需要在极寒行星表面（如火星）进行长期观测的仪器，其热控设计的核心挑战在于？()A.如何快速升高仪器温度以工作B.如何有效散发来自太阳和行星内部的热量C.如何在极端温差下保持探测器敏感元件的稳定工作温度D.如何防止仪器内部发生冷凝二、简答题（每题5分，共20分）1.简述高温环境对空间探测器中电子元器件的主要影响。2.简述选择用于行星大气探测仪器的耐高温材料时，需要考虑的主要物理和化学性能指标。3.解释什么是热沉，并简述其在行星探测仪器高温耐久设计中的作用。4.简述被动热控和主动热控在原理和适用场景上的主要区别。三、分析计算题（共15分）假设某行星大气探测仪器中有一个关键敏感元件，其工作温度需控制在300K±5K范围内。该元件位于仪器外部，直接暴露于行星大气顶层，环境温度为700K，自然对流换热系数为10W/(m²·K)，辐射环境温度为800K。元件表面发射率ε=0.8，不考虑太阳直接辐射。现考虑使用一层热控涂层，其外表面发射率ε_c=0.3，内表面发射率ε_i=0.9，厚度δ=0.1mm，热导率k=0.5W/(m·K)。请分析：(1)若仅考虑辐射换热，该元件在不加涂层时能达到的平衡温度大约是多少？(2)若仅考虑自然对流换热，该元件在不加涂层时能达到的平衡温度大约是多少？(3)考虑辐射和对流联合换热，该元件在不加涂层时能达到的平衡温度大约是多少？(4)简要说明添加该热控涂层后，元件的热平衡状态将如何变化？（无需进行精确计算，定性分析即可）四、设计论述题（共30分）为一次拟议的土卫二（Enceladus）冰下海洋探测任务，设计一个用于测量海洋盐度或化学成分的探测器（假设探测器需部署在冰壳附近的海底区域，环境温度约为-20°C至80°C，压力较高，但此题主要关注温度耐久设计）。请阐述你的设计思路，包括但不限于以下方面：1.探测器外壳的材料选择及其理由。2.探测器内部关键电子元件和光学元件（如有）的热防护措施。3.针对该温度范围（-20°C至80°C，而非极端高温）可能需要考虑的热设计要点（例如，冷热端管理、温差应力缓解等）。4.简述你会如何设计测试方案来验证该探测器在土卫二模拟环境下的温度适应性和耐久性。---试卷答案一、选择题1.B2.C3.D4.C5.C二、简答题1.高温环境会导致电子元器件参数漂移（如电阻、电容值变化）、绝缘材料性能下降（如老化、分解）、半导体器件阈值电压变化、金属连接点接触不良或氧化、以及散热需求增加导致的热失效。极端高温还可能直接烧毁器件。2.主要性能指标包括：熔点/高温强度（抗蠕变、抗变形能力）、热导率（导热性能）、热膨胀系数（尺寸稳定性）、抗氧化/耐腐蚀性、密度（影响重量）、热稳定性（长期高温下性能保持）、以及与探测器其他部分的兼容性。3.热沉是一种用于吸收和储存过多热量，并将热量导离敏感元件的被动式热管理装置。其作用是将仪器内部或外部产生的多余热量传导至热沉，通过热沉与深空或冷背景的辐射换热将热量散失掉，从而为敏感元件提供一个稳定且较低的运行温度环境。4.被动热控主要依靠材料特性、几何结构、表面涂层等固有属性，利用自然散热方式（如对流、辐射）管理热量，无需消耗额外能源，设计相对简单但调控能力有限。主动热控则使用额外的能源（如电力）驱动执行机构（如加热器、冷却器、可变形镜等）来主动调节仪器温度，控制精度高，适应性强，但系统复杂，功耗较大，可靠性需更高。三、分析计算题(1)解析思路：仅考虑辐射换热时，元件达到平衡状态时，其向环境的热辐射功率等于从环境吸收的热辐射功率。吸收功率包括自身辐射和外部环境辐射。平衡温度T_eq可通过斯特藩-玻尔兹曼定律求解：πR²ε(εT_eq⁴-T_surr⁴)=0，其中R为元件半径，ε为表面发射率，T_eq为元件平衡温度，T_surr为环境辐射温度（800K）。简化计算可近似为T_eq≈T_surr*(ε/(1-ε))^(1/4)。代入数值计算得近似平衡温度。(2)解析思路：仅考虑自然对流换热时，元件达到平衡状态时，其通过对流散失的热量等于吸收的热量（假设主要是环境辐射）。散热量Q_conv=h*A*(T_eq-T_surr)，其中h为对流换热系数（10W/(m²·K)），A为表面积，T_eq为元件平衡温度，T_surr为环境温度（700K）。吸收热量主要来自环境辐射Q_rad=πR²εT_surr⁴。平衡时Q_conv=Q_rad。代入数值，通过迭代或近似计算求解T_eq。此题未给出元件尺寸，通常简化为考虑单位面积或假设半径进行估算。(3)解析思路：考虑辐射和对流联合换热时，平衡方程为：辐射吸收项=辐射发射项+对流散热量。即πR²εT_surr⁴=πR²εT_eq⁴+h*A*(T_eq-T_surr)。此方程同样需要元件尺寸参数A或R才能精确求解，但定性上，平衡温度T_eq会低于仅考虑辐射的情况（800K），且高于仅考虑对流的情况（根据(2)的估算值）。具体数值需代入计算。(4)解析思路：添加热控涂层后，元件外表面的有效发射率变为ε_c（0.3），内表面的发射率变为ε_i（0.9）。由于涂层厚度δ和热导率k有限，会引入一个通过涂层的导热电阻。同时，辐射热阻也会因发射率变化而改变。综合来看，涂层会改变元件与环境的热量交换方式，特别是辐射换热部分。通常，选择低ε外涂层是为了减少向外部热环境（如太阳或行星大气）的辐射散热，使得元件热量更倾向于通过涂层内部传导至仪器内部或其他散热结构。因此，添加涂层后，元件的平衡温度可能会升高（如果主要目的是向内部散热）或降低（如果主要目的是减少向外部散热），具体取决于涂层的热阻特性和系统的整体热设计。定性分析时，需结合涂层的热阻和辐射特性与系统需求判断。四、设计论述题解析思路：1.材料选择：应考虑-20°C至80°C的温度范围，要求材料在此区间内保持良好的力学性能（不脆化、不软化）、尺寸稳定性、耐腐蚀性（可能接触水或化学物质）。钛合金（如Ti-6Al-4V）或高温钢（如304不锈钢）是可能的选项。钛合金比钢更轻，在低温下性能更好；不锈钢耐腐蚀性优良。选择理由需说明所选材料在目标温度范围内的综合性能优势，以及与探测器其他部分的匹配性。2.热防护：关键电子元件（如CPU、传感器）需要散热设计，可考虑使用导热材料（如热界面材料）连接到散热器或热管。光学元件（如透镜、滤光片）需防止冷凝（在-20°C环境下进入80°C区域时）和热变形，可使用加热器或选择低热膨胀系数材料，并设计良好的密封和热缓冲结构。敏感元件还需考虑屏蔽来自内部热源或外部环境辐射的影响。3.热设计要点：需要管理从-20°C到80°C的较大温差，防止热失配导致结构应力。设计时要考虑冷热端的隔离与连接，确保热量能有效地从热源传导到散热端。可能需要使用柔性连接件或减振材料。对于需要精确温度控制的元件，可能需要主动控温措施（如微型加热器或热电制冷片）。考虑探测器在冰下环境中的姿态和运动对热分布的影响。4.测试方