2025年大学《空间科学与技术》专业题库-星际飞船的超长途航行计划

2025年大学《空间科学与技术》专业题库——星际飞船的超长途航行计划考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每题2分，共20分）1.根据狭义相对论，以下哪个选项正确描述了高速运动物体的时间膨胀效应？A.运动速度越快，物体内部时钟越快B.运动速度越快，物体内部时钟越慢C.时间膨胀与运动速度无关D.时间膨胀只发生在垂直于运动方向上2.在星际航行中，穿越星际介质（如星际尘埃和气体）时，主要对飞船造成的威胁是：A.直接的物理撞击破坏B.电磁辐射干扰C.产生巨大的阻力导致推进效率急剧下降D.引起船员严重的太空病3.以下哪种推进系统理论上具有最高的比冲（单位质量推进剂产生的冲量）？A.化学火箭推进B.核裂变推进C.核聚变推进D.太阳能帆4.对于超长途星际航行，以下哪种生命保障技术被认为是目前最具挑战性的？A.氧气再生系统B.水循环利用系统C.食物生产系统（如生物再生生命保障）D.废物处理系统5.在深空星际航行中，实现精确导航的主要手段依赖于：A.地球上的地面雷达站B.太阳作为主要导航参考点C.利用恒星或射电源进行天文导航D.依赖预设的固定路径和惯性导航系统6.人类目前发射的进入太阳系外围的探测器中，速度最快的可能是：A.水手10号B.旅行者1号C.勒克雅未克号D.帕克太阳探测器7.星际飞船在进行超长距离航行时，为了避免船员因长期失重环境导致肌肉萎缩和骨质流失，通常采用以下哪种方法？A.定期进行人工重力模拟B.使用强效药物进行对抗C.增加船员运动量D.选择能产生持续微重力的推进方式8.反物质推进系统的主要优势在于：A.推进剂来源广泛易得B.推进效率极高，能量密度极大C.对环境友好无污染D.技术成熟，已接近实用化阶段9.以下哪项不是星际航行任务规划中必须考虑的关键风险因素？A.飞船与目的地星球的相对速度和方向B.船员的心理健康和团队协作C.地球上的政治经济变化对任务的影响D.飞船推进系统的具体型号和性能参数10.对于星际通信，主要面临的挑战是：A.通信内容容易被窃听B.信号传输延迟巨大，可达数年甚至数十年C.通信带宽有限，无法传输高清视频D.需要使用极其复杂的加密算法二、填空题（每空1分，共15分）1.根据广义相对论，引力被认为是__________时空几何弯曲的表现。2.星际尘埃对飞船的光学系统主要造成__________和__________的干扰。3.核聚变推进的主要能量来源是氢的同位素__________和__________的聚变反应。4.为了维持宇航员长期生存所需的氧气，闭环生命保障系统需要实现高效的__________和__________。5.利用__________定位原理，可以通过测量地球与已知天体之间的距离和角度变化来精确确定飞船的位置。6.人类目前探索太阳系的边界，即__________云的边缘区域。7.在星际航行中，为了克服巨大的能量需求，理论上__________推进是未来最具潜力的选择。8.长期暴露在深空辐射环境中，宇航员需要防护的主要辐射类型包括__________和__________。9.星际航行任务的制定需要考虑多个因素，其中__________和__________是决定任务可行性的关键指标。10.为了实现有效的星际通信，除了提高信号功率外，还需要发展__________和__________技术。三、简答题（每题5分，共20分）1.简述狭义相对论中的“时间膨胀”和“长度收缩”效应，并说明它们对星际航行可能产生的影响。2.比较核裂变推进和核聚变推进在能量输出、推进剂效率、技术成熟度和安全性等方面的主要区别。3.分析长期星际航行中，维持船员心理健康所面临的主要挑战，并提出可能的应对措施。4.解释什么是“星际航行窗口”，并说明其对于规划星际航行任务的重要性。四、计算题（每题10分，共20分）1.假设一艘星际飞船需要前往距离地球15光年的比邻星系，飞船的最大巡航速度可达0.3c（c为光速）。不考虑加速和减速时间，仅计算往返一次所需的时间（以年为单位）。已知光速约为3×10⁸米/秒。2.某种新型推进系统比冲为50千米/秒，假设飞船需要产生100千牛的推力。如果使用该推进系统，要使飞船速度增加1千米/秒，理论上需要消耗多少质量的推进剂？（结果保留两位小数）五、论述题（15分）探讨实现人类进行载人星际航行（例如到达火星或更远的恒星系统）所面临的主要科学、技术、工程、经济和社会挑战，并分析克服这些挑战的可能途径和潜在意义。试卷答案一、选择题1.B2.C3.C4.C5.C6.B7.A8.B9.C10.B二、填空题1.曲率2.尘埃遮蔽，光学散射3.氘，氚4.氧气，二氧化碳5.测距6.奥尔特7.反物质8.宇宙射线，galacticcosmicrays9.航行距离，航行时间10.信号编码，深空网络三、简答题1.解析思路：首先分别解释时间膨胀（运动时钟变慢）和长度收缩（运动方向长度变短）的原理（基于相对论不变量），然后结合星际航行的高速度场景，说明这些效应虽然通常很微小，但在极端高速下可能变得显著，并讨论其对时间基准、测量精度、设备设计等方面的影响。2.解析思路：从能量输出（聚变>裂变）、推进剂效率（聚变更高）、技术成熟度（裂变较高，聚变挑战大）和安全性（裂变有放射性废物，聚变理论上更安全）四个维度进行比较，突出聚变的优势和挑战。3.解析思路：列举长期太空飞行可能引发的心理问题（孤独、隔绝、压力、焦虑、抑郁等），分析其成因，然后提出应对措施，如心理训练、虚拟现实娱乐、船员配比与分工、建立有效沟通机制、领导力等。4.解析思路：解释“星际航行窗口”是指发射星际飞船最有利的特定时间窗口，此时地球与目标天体之间的相对位置和速度关系（如最小发射能量、最短飞行时间）最为有利。说明其重要性在于，选择合适的窗口可以显著降低任务的能量需求和飞行时间，影响任务的成败和经济性。四、计算题1.解析思路：使用狭义相对论时间膨胀公式t'=t/√(1-v²/c²)或直接用速度计算t=距离/速度。注意往返距离是单程的两倍，速度恒定为0.3c。注意单位换算，1光年≈9.46×10¹⁵米。计算结果约为150年。2.解析思路：使用火箭方程变体或动量守恒概念。根据动量变化Δp=m_a*v，其中m_a是推进剂质量，v是速度变化量。结合比冲Isp=Δv/g₀(g₀为标准重力加速度，约9.81m/s²)，可得Δv=Isp*g₀。将Δv代入动量方程，解出m_a=Δp/v。推力F=m_a*a，其中a是加速度。联立可得m_a=F*v/(Isp*g₀)。代入数值计算，结果约为4.08×10⁶kg。五、论述题解析思路：从科学（基础物理、生命科学突破）、技术（推进、能源、材料、生命保障、人工智能）、工程（超大型结构、系统集成）、经济（巨额投入、成本分摊、商业模式）、社会（伦理、国际合作、长期影响）等多个维度全面阐述挑战。科学上需要颠覆性进展，技术上需要多领域协同突破