2025年大學(xué)《行星科學(xué)》專業(yè)題庫——行星科學(xué)創(chuàng)新技術(shù)革新考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述高分辨率成像技術(shù)在現(xiàn)代行星探測中的作用及其面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)。請至少列舉兩種不同的成像光譜技術(shù)，并簡述其基本原理和主要應(yīng)用領(lǐng)域。二、機器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)在處理和分析行星科學(xué)大數(shù)據(jù)方面展現(xiàn)出巨大潛力。請列舉至少三種具體的應(yīng)用場景（例如：圖像識別、數(shù)據(jù)分析、模型優(yōu)化等），并分別說明其如何提升行星科學(xué)研究的效率或深度。同時，討論在應(yīng)用這些技術(shù)時可能遇到的數(shù)據(jù)質(zhì)量、算法選擇或解釋性等方面的挑戰(zhàn)。三、原位探測是深入了解行星表面成分和環(huán)境的關(guān)鍵。比較并說明鉆探取樣技術(shù)相對于非鉆探型表面分析儀（如X射線光譜儀）在獲取信息方面的優(yōu)勢和劣勢。設(shè)想一項未來任務(wù)，需要探測一個具有極厚冰殼的海洋世界，列出你將選擇的幾種關(guān)鍵原位探測工具，并說明選擇理由。四、行星氣候模型是理解行星宜居性、大氣演化及環(huán)境變化的重要工具。描述行星氣候模型的基本構(gòu)成要素（至少包括能量平衡、輻射傳輸、大氣環(huán)流和動力學(xué)等模塊）。以火星或金星為例，簡述其當前氣候模型在模擬其極端氣候特征時面臨的主要困難和挑戰(zhàn)。五、舉例說明材料科學(xué)領(lǐng)域的哪些創(chuàng)新成果對深空探測器的設(shè)計和制造產(chǎn)生了革命性影響。請選擇一項具體的技術(shù)（如耐高溫合金、超輕復(fù)合材料、新型太陽能電池、抗輻射電子元件等），詳細闡述其工作原理、關(guān)鍵優(yōu)勢以及在行星探測器中的應(yīng)用實例。六、深空通信是行星探測中的瓶頸之一。比較傳統(tǒng)射頻通信與潛在的下一代通信技術(shù)（如激光通信、量子通信）在傳輸速率、帶寬、距離、抗干擾能力等方面的潛在優(yōu)勢與挑戰(zhàn)。針對實現(xiàn)遠距離、高帶寬的行星際通信，提出你的解決方案思路。七、跨學(xué)科融合是推動行星科學(xué)發(fā)展的重要動力。描述一下生物學(xué)（特別是極端環(huán)境生物學(xué)）與行星科學(xué)的交叉融合在火星生命探測或系外行星宜居性評估方面可能產(chǎn)生的創(chuàng)新研究方向或技術(shù)需求。八、假設(shè)你是一名行星科學(xué)家，正在為一次前往近地小行星的采樣返回任務(wù)制定技術(shù)方案。請簡述你將如何綜合運用軌道動力學(xué)、遙愂數(shù)據(jù)分析、原位探測和先進采樣技術(shù)來選擇目標小行星、規(guī)劃采樣策略以及確保樣品的安全返回地球。試卷答案一、作用：高分辨率成像技術(shù)能夠提供行星表面前所未有的細節(jié)分辨率，用于識別和分類地表特征（如撞擊坑、火山、峽谷、水系痕跡、地外生命跡象等），精確測量特征尺寸和形態(tài)，繪制高精度地形圖，為后續(xù)任務(wù)選擇著陸點或巡視路徑提供關(guān)鍵信息，并支持對行星地質(zhì)演化歷史進行深入分析。技術(shù)挑戰(zhàn)：1.距離衰減：探測器與行星距離遙遠，導(dǎo)致光信號強度急劇減弱，需要極高靈敏度的探測器和高增益的望遠鏡。2.大氣干擾：行星自身大氣（如火星稀薄大氣、木星濃厚大氣）會引起圖像模糊和畸變，需要復(fù)雜的圖像校正算法。3.數(shù)據(jù)傳輸帶寬：高分辨率圖像產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，對深空通信帶寬要求極高，需要高效的壓縮算法和長時間的數(shù)據(jù)傳輸窗口。4.探測器穩(wěn)定性與指向精度：保持探測器相對于目標的高精度穩(wěn)定指向，克服軌道攝動和自身振動，對姿態(tài)控制系統(tǒng)要求極高。成像光譜技術(shù)：1.高光譜成像：原理：通過成像光譜儀同時獲取目標在多個非常窄的光譜波段上的圖像信息。應(yīng)用：能夠區(qū)分具有微小光譜差異的物質(zhì)，實現(xiàn)地表物質(zhì)精細分類（如礦物識別、土壤成分分析、植被監(jiān)測）。2.拉曼光譜成像：原理：利用拉曼散射效應(yīng)，探測物質(zhì)分子振動和轉(zhuǎn)動能級引起的散射光頻率shift，獲得物質(zhì)的“分子指紋”。應(yīng)用：用于識別礦物、水冰、有機分子等，即使混合物也能提供成分信息，常用于土壤和地表巖石分析。二、應(yīng)用場景及提升作用：1.圖像識別與目標檢測：應(yīng)用：在火星或月球巡視器相機圖像中自動識別撞擊坑、巖石、土壤、特定礦物紋理或潛在生命跡象。提升：大幅提高巡視器巡視效率和科學(xué)產(chǎn)出，減少人工標注負擔(dān)。2.大數(shù)據(jù)分析與模式發(fā)現(xiàn)：應(yīng)用：分析來自火星軌道器的大量光譜數(shù)據(jù)，自動識別礦物分布區(qū)域、水冰特征或氣候模式。提升：從海量數(shù)據(jù)中快速發(fā)現(xiàn)人類難以察覺的規(guī)律和異常，加速科學(xué)發(fā)現(xiàn)進程。3.軌道與導(dǎo)航優(yōu)化：應(yīng)用：利用機器學(xué)習(xí)算法處理跟蹤數(shù)據(jù)，更精確地確定小行星或行星際飛行器的軌道，或優(yōu)化星際航行的燃料消耗路徑。提升：提高軌道測控精度，降低任務(wù)風(fēng)險，實現(xiàn)更智能的自主導(dǎo)航。挑戰(zhàn)：1.數(shù)據(jù)質(zhì)量：行星表面光照變化、大氣散射、傳感器噪聲等會污染數(shù)據(jù)，影響算法精度。需要強大的數(shù)據(jù)預(yù)處理和清洗能力。2.算法選擇與泛化：需要針對特定行星環(huán)境和科學(xué)目標選擇或開發(fā)合適的算法，且算法需具有良好的泛化能力以適應(yīng)未知情況。模型過擬合或欠擬合是常見問題。3.可解釋性：許多機器學(xué)習(xí)模型（如深度學(xué)習(xí)）如同“黑箱”，其決策過程難以解釋，這在需要嚴謹科學(xué)依據(jù)的行星科學(xué)研究中是一個挑戰(zhàn)。三、鉆探取樣vs非鉆探型表面分析儀：鉆探取樣優(yōu)勢：1.獲取垂直剖面信息，能夠了解地表下方不同深度的物質(zhì)結(jié)構(gòu)、分層和演化歷史。2.獲取原位、未受表面風(fēng)化的深部樣品，提供更真實的物質(zhì)組成和形成信息。3.可以獲取水冰、流體等難以通過表面分析獲取的樣品。鉆探取樣劣勢：1.技術(shù)實現(xiàn)復(fù)雜，對機械臂精度、鉆頭設(shè)計、防堵防卡能力要求高。2.任務(wù)風(fēng)險較高，鉆探過程可能破壞樣本或引發(fā)次生災(zāi)害。3.采樣效率相對較低，獲取樣品耗時較長。未來任務(wù)（冰封海洋世界）關(guān)鍵原位探測工具及理由：1.X射線熒光光譜儀(XRF)：理由：可快速無損地測定巖石和土壤的元素組成，是探測冰下巖石、礦物或生物標記物元素指紋的關(guān)鍵工具。2.拉曼光譜儀：理由：可識別礦物、水冰（包括含氫水冰）、有機分子等，提供比XRF更豐富的化學(xué)成分信息。3.中子散射儀（或中子探測器）：理由：特別靈敏于探測氫元素，是確認和量化冰的存在（特別是水冰）以及土壤濕度的重要手段。4.鉆探取樣器（輔助）：理由：雖然風(fēng)險高，但獲取真實冰芯或深部沉積物樣本對于理解海洋歷史和潛在生命至關(guān)重要。四、氣候模型基本構(gòu)成要素：1.能量平衡模塊：模擬太陽輻射輸入、大氣和地表吸收、反射、散射以及紅外輻射發(fā)射與大氣環(huán)流之間的能量交換，決定行星溫度分布。2.輻射傳輸模塊：模擬太陽短波輻射和行星紅外長波輻射在атмос中的吸收、散射和反射過程，計算大氣各層和地表的能量收支。3.大氣環(huán)流模塊：基于流體力學(xué)方程（如Navier-Stokes方程），模擬大氣風(fēng)場、氣壓場、溫度場的水平和垂直運動，模擬天氣系統(tǒng)和氣候模式。4.動力學(xué)與對流模塊：模擬大尺度運動（如行星波、行星尺度渦旋）和中小尺度對流（如積云、雷暴）的過程，影響天氣和氣候的時空變化。5.水循環(huán)模塊：模擬蒸發(fā)、凝結(jié)、降水、徑流等水相變化過程，對氣候系統(tǒng)有重要反饋。6.地表模塊：模擬地表反照率、熱容量、蒸散發(fā)、冰雪覆蓋等與氣候系統(tǒng)的相互作用。挑戰(zhàn)（以火星/金星為例）：1.云物理模擬：火星稀薄大氣云的形成、演化和輻射效應(yīng)模擬困難；金星濃厚大氣云的動力學(xué)和輻射特性極其復(fù)雜。2.大氣化學(xué)復(fù)雜度：火星大氣化學(xué)過程（如硫酸鹽塵埃、一氧化碳循環(huán)）和金星大氣奇特的硫酸霧化學(xué)循環(huán)，其細節(jié)對氣候有巨大影響，但難以完全刻畫。3.地表-大氣相互作用：火星巨大的晝夜溫差導(dǎo)致強烈的地面加熱不均，激發(fā)復(fù)雜的大氣波，其反饋機制模擬難度大；金星地表受強溫室效應(yīng)影響下的高溫高壓狀態(tài)模擬精度有限。4.參數(shù)化方案不確定性：對于一些小尺度過程（如云凝結(jié)核、地表粗糙度影響），需要使用參數(shù)化方案進行模擬，這些方案本身存在不確定性和誤差。五、創(chuàng)新材料技術(shù)及其影響：1.耐高溫合金（如Inconel,Waspaloy）：應(yīng)用：用于制造火箭發(fā)動機燃燒室、高溫部件、耐熱結(jié)構(gòu)件。影響：使發(fā)動機推力更大、效率更高，延長了航天器在軌壽命。2.超輕復(fù)合材料（如碳纖維增強聚合物CFRP）：應(yīng)用：用于制造火箭箭體、衛(wèi)星結(jié)構(gòu)、太陽能電池板基板。影響：大幅減輕結(jié)構(gòu)重量，提高有效載荷能力，降低發(fā)射成本，增加電池板功率密度。3.新型高效太陽能電池（如多結(jié)電池、鈣鈦礦電池）：應(yīng)用：作為航天器的電力來源。影響：提高光電轉(zhuǎn)換效率，在有限空間內(nèi)產(chǎn)生更多電力，支持更復(fù)雜的科學(xué)儀器和通信任務(wù)。4.抗輻射電子元件（如RadFETs、RadHICs）：應(yīng)用：用于制造在深空或近地空間高輻射環(huán)境下工作的處理器、存儲器和邏輯電路。影響：提高航天器電子系統(tǒng)的可靠性和任務(wù)壽命，使其能夠執(zhí)行更復(fù)雜的任務(wù)。六、傳統(tǒng)射頻通信vs新一代通信技術(shù)：|特性|傳統(tǒng)射頻通信(微波)|激光通信(可見光/紅外)|量子通信(可見光/紅外)||------------|--------------------------------------|--------------------------------------|----------------------------------||傳輸速率|Gbps級，易受帶寬限制|Tbps級甚至更高，帶寬潛力巨大|Tbps級，潛在速率極高||帶寬|相對較低|非常高|非常高||傳輸距離|較長(取決于天線增益和功率)，易衰減|較短(受大氣吸收、散射、能見度影響)|較短(同樣受大氣影響，但可通過編碼克服)||抗干擾能力|易受自然噪聲和人為干擾|干擾源少，相對抗干擾能力強|具有原理上的抗干擾能力(量子密鑰分發(fā))||保密性|易被竊聽，需加密|相對安全，但仍可能被竊聽|理論上無法復(fù)制，提供無條件安全密鑰分發(fā)||技術(shù)成熟度|非常成熟，成本相對較低|快速發(fā)展，成本較高，對大氣條件敏感|處于研究和發(fā)展階段，技術(shù)挑戰(zhàn)大|星際通信解決方案思路：綜合考慮，下一代星際通信可能需要結(jié)合多種技術(shù)。對于點對點、高帶寬通信，激光通信是極具潛力的選擇，通過高增益天線和空間補償技術(shù)（如自適應(yīng)光學(xué)）克服大氣干擾和距離限制。對于超遠距離通信或需要極高安全性的場景，量子通信（特別是量子密鑰分發(fā)）提供獨特優(yōu)勢。長遠來看，可能需要發(fā)展自由空間光通信(FSOC)的增強技術(shù)，并探索激光中繼鏈路或星際網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。關(guān)鍵在于提高發(fā)射功率、接收靈敏度、大氣穿透/補償能力以及信號處理算法的效率。七、生物學(xué)與行星科學(xué)的交叉融合創(chuàng)新方向/需求：1.極端環(huán)境生物學(xué)指導(dǎo)下的生命探測：研究地球上的極端環(huán)境微生物（如溫泉、鹽湖、深海熱泉、極地冰層）的代謝特性、適應(yīng)機制和對環(huán)境信號的響應(yīng)，為設(shè)計更有效的火星或系外行星生命探測儀（如尋找特定生物標記物、探測生命活動痕跡）提供理論依據(jù)和目標。2.行星環(huán)境模擬與生物演化研究：利用生物反應(yīng)器或模擬實驗，研究行星環(huán)境（如不同大氣成分、輻射水平、溫度變化）對微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的影響，甚至模擬行星演化和生命起源的早期環(huán)境，以推斷行星宜居性的長期維持條件和生命演化的可能性。3.生物技術(shù)應(yīng)用于行星探測任務(wù)：開發(fā)基于生物酶或生物傳感器的原位、快速、低成本的生物標記物檢測方法；利用生物工程改造微生物用于行星表面的原位資源利用（如利用火星土壤生產(chǎn)燃料或生命支持物質(zhì)）；探索利用生物材料制造輕質(zhì)、耐用的航天器部件。4.行星生物學(xué)與行星科學(xué)的共同理論框架：建立整合生物學(xué)原理的行星科學(xué)理論，如研究行星環(huán)境如何塑造生命的形式和分布規(guī)律，或從生命演化的角度反推行星的歷史和環(huán)境變遷。八、近地小行星采樣返回任務(wù)技術(shù)方案制定：1.目標選擇與軌道確定：分析近地小行星目錄，利用天文觀測數(shù)據(jù)（光度曲線、顏色、光譜）評估其類型（如S型、C型、M型）、大小、形狀、旋轉(zhuǎn)狀態(tài)和近地點高度。優(yōu)先選擇科學(xué)價值高（如類型稀有、成分特殊）、軌道穩(wěn)定、易于接近的小行星。通過軌道動力學(xué)模擬，設(shè)計發(fā)射窗口和轉(zhuǎn)移軌道，使探測器能夠抵達目標小行星，進行軌道捕獲或近場航行。2.抵達與軌道捕獲/近場航行：抵達目標小行星后，探測器可能需要進行軌道捕獲（如通過引力彈弓或制動減速），進入小行星引力影響范圍內(nèi)。若無法捕獲，則進行近距離（如幾公里到幾十公里）的自主導(dǎo)航和飛行，以精確獲取科學(xué)數(shù)據(jù)。3.原位探測與采樣點選擇：利用抵達后的小行星勘察相機、光譜儀、激光高度計等工具，對目標小行星表面進行詳細成像和成分分析。識別具有代表性的區(qū)域（如不同地質(zhì)單元、新鮮撞擊坑、特殊礦物分布區(qū)），結(jié)合地形和穩(wěn)定性評估，選擇一個或多個安全的采樣點。4.采樣策略與執(zhí)行：根據(jù)目標小行星的物理特性（如表面疏松或致密、坡度、障礙物）選擇合適的采樣工具（如機械臂末端鉆頭、樣本采集鏟、氣槍噴射采樣器）。制定詳細的采樣操作規(guī)程，確保采集到足量、有代表性的樣品，并規(guī)避風(fēng)險（如樣本污染、設(shè)備故障）?？赡苄枰杉喾N類型的樣品（如表面巖石、土壤、淺層次表層樣本）。5.樣本封裝與封裝器設(shè)計