2025年大學(xué)《空間科學(xué)與技術(shù)》專業(yè)題庫——太空微重力環(huán)境中的材料測試考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請將正確選項的代表字母填在括號內(nèi)）1.下列哪一項不是微重力環(huán)境區(qū)別于地面常重力環(huán)境的主要特征？A.物體表現(xiàn)為“失重”狀態(tài)B.浮力對流體的傳輸起主導(dǎo)作用C.質(zhì)量成為衡量物體慣性的唯一標準D.表面張力在流體行為中占據(jù)更重要的地位2.在微重力環(huán)境下，材料的凝固過程通常表現(xiàn)為：A.結(jié)晶速率顯著降低B.溫度梯度減小，成分均勻性提高C.易形成柱狀晶或樹枝晶D.沉淀物更容易沉降分離3.下列哪種材料測試方法在微重力環(huán)境下需要特別注意防止樣品漂浮或飛濺？A.X射線衍射物相分析B.掃描電子顯微鏡表面形貌觀察C.布氏硬度測試D.粉末壓片密度測量4.空間微重力科學(xué)實驗中，常利用中性浮力來模擬失重狀態(tài)，其主要原理是：A.中性浮力產(chǎn)生的力與重力完全抵消B.中性浮力使物體在液體中保持懸浮，便于觀察C.中性浮力可以完全消除液體的表面張力效應(yīng)D.中性浮力只適用于密度小于液體的物體5.旋轉(zhuǎn)設(shè)施（如旋轉(zhuǎn)容器）作為微重力地面模擬裝置，其主要局限性在于：A.無法模擬某些方向性的物理過程B.實現(xiàn)的微重力水平有限，且存在科里奧利力干擾C.設(shè)備成本過于昂貴，不易普及D.只能用于流體力學(xué)實驗，不能用于固體材料研究6.微重力環(huán)境下，金屬凝固過程中產(chǎn)生的對流顯著減弱，這將主要影響：A.晶粒尺寸的均勻性B.材料內(nèi)部的成分偏析C.晶體生長的方向性D.材料的力學(xué)性能7.用于空間站進行材料科學(xué)實驗的“多功能實驗平臺”通常具備的功能不包括：A.在軌材料制備與加工B.材料性能原位表征與實時監(jiān)測C.實驗數(shù)據(jù)的自動記錄與傳輸D.對地面生產(chǎn)線上不合格材料的修復(fù)8.微重力環(huán)境有利于制備哪種類型的晶體材料？A.具有復(fù)雜缺陷的晶體B.大尺寸、低缺陷、各向異性強的單晶C.多晶或非晶態(tài)材料D.具有特定光學(xué)活性的分子晶體9.在微重力環(huán)境下進行燃燒實驗，火焰形態(tài)通常表現(xiàn)為：A.擴展面積大，高度低，呈球形或近似球形B.火焰高度顯著增加，呈細長錐狀C.火焰顏色變深，亮度增強D.完全熄滅，無法維持燃燒10.微重力材料測試面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)之一是：A.實驗設(shè)備過于簡單，難以實現(xiàn)精確測量B.樣品在微重力下容易發(fā)生形變或破壞C.如何精確模擬地面環(huán)境以進行對比實驗D.實驗數(shù)據(jù)傳輸帶寬有限，影響實時分析二、填空題（每空1分，共15分。請將答案填在橫線上）1.微重力環(huán)境通常指重力加速度低于______g的環(huán)境，其產(chǎn)生主要源于航天器在地球引力場中的______運動。2.微重力環(huán)境下，流體的輸運主要依靠______、擴散和表面張力驅(qū)動，而______對流體的混合和傳輸作用大大減弱。3.為了在地面模擬微重力環(huán)境，除了中性浮力法，常用的還有______法和______法。4.材料在微重力下的凝固過程通常具有______、______和成分均勻性高等特點。5.在軌材料性能測試常利用______、光譜分析、熱分析等技術(shù)手段，實現(xiàn)對材料______、力學(xué)性能等指標的測量。6.微重力環(huán)境對材料表面物理化學(xué)性質(zhì)的影響，如______、潤濕性等，是重要的研究方向。7.空間微重力科學(xué)實驗面臨的主要困難包括實驗環(huán)境的______、______以及實驗成本高昂等。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述微重力環(huán)境下材料凝固過程中成分偏析減小的原因。2.比較旋轉(zhuǎn)式地面模擬裝置與自由落體式模擬裝置在模擬微重力效果上的主要區(qū)別。3.簡述進行微重力燃燒實驗時，火焰形態(tài)與地面常重力環(huán)境下燃燒火焰形態(tài)的主要差異及其物理原因。4.列舉至少三種在空間站上進行微重力材料性能測試的常用方法，并簡述其基本原理。四、論述題（每題10分，共30分）1.論述微重力環(huán)境對材料科學(xué)研究的獨特價值，并舉例說明其在哪些具體領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。2.分析當前微重力材料測試技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)，并探討可能的解決方案或未來發(fā)展方向。3.假設(shè)你需要設(shè)計一個用于空間站原位測試某種合金凝固過程的實驗方案，請簡述你需要考慮的關(guān)鍵要素，包括測試對象、所需設(shè)備、關(guān)鍵參數(shù)、數(shù)據(jù)采集與處理方法等。---試卷答案一、選擇題1.C2.B3.C4.B5.B6.B7.D8.B9.A10.B二、填空題1.0.001；軌道2.擴散；對流3.落塔；旋轉(zhuǎn)4.晶粒細??；組織均勻5.顯微鏡；微觀結(jié)構(gòu)6.氣體吸附/逸出速率7.控制難；數(shù)據(jù)后處理復(fù)雜三、簡答題1.解析思路：微重力環(huán)境下，浮力驅(qū)動的對流顯著減弱或消失，導(dǎo)致密度差異引起的組分遷移（即對流擴散）大大減弱。同時，擴散系數(shù)在微重力下可能因流體粘度變化等因素而有所改變，但在許多情況下，核心原因是對流減弱，使得密度梯度不易被宏觀流動所消除，從而成分偏析減小。2.解析思路：旋轉(zhuǎn)式模擬通過旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力提供等效加速度，模擬微重力環(huán)境。其效果是旋轉(zhuǎn)半徑處的物體感受到一個與重力方向相反、大小與距離中心距離成正比的力，但在中心軸上仍接近零重力。自由落體式模擬則是通過讓實驗裝置和樣品一同在大型落塔或droptower中自由下落，在自由下落期間，系統(tǒng)處于完全失重狀態(tài)（自由落體加速度約等于當?shù)刂亓铀俣龋Ｖ饕獏^(qū)別在于：旋轉(zhuǎn)式是近似模擬，存在旋轉(zhuǎn)效應(yīng)和等效加速度梯度；自由落體式是在有限時間內(nèi)提供近似真實的失重環(huán)境。3.解析思路：在常重力下，火焰的上升主要受浮力驅(qū)動，形成細長錐狀，火焰根部與燃燒面之間的氣流較強。在微重力下，浮力消失，對流減弱，燃燒產(chǎn)物和未燃氣體主要依靠分子擴散擴散離開燃燒區(qū)。擴散速度遠低于常重力下的對流速度，導(dǎo)致火焰難以上升，擴展面積增大，趨向于在燃燒表面附近形成一個較平緩的、接近球形的火焰層。4.解析思路：需要列舉至少三種常用方法并簡述原理。例如：①顯微鏡（光學(xué)/電子）：原理是利用可見光或電子束照射樣品，通過物鏡和目鏡/探測器成像，觀察材料的表面形貌或內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)。②X射線衍射（XRD）：原理是利用X射線與材料原子相互作用產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象，分析材料的晶體結(jié)構(gòu)、物相組成等信息。③熱分析（DSC/TGA）：原理是測量材料在程序控溫過程中的熱響應(yīng)信號（如吸放熱、質(zhì)量變化），用以研究材料的相變、熱穩(wěn)定性、比熱容、燃燒熱等熱物理性質(zhì)。四、論述題1.解析思路：論述需包含微重力環(huán)境的獨特性及其對材料科學(xué)過程的影響。獨特性在于：①減小或消除了重力相關(guān)效應(yīng)（浮力、對流、沉降等），使其他因素（如擴散、表面張力、毛細現(xiàn)象）相對突出。②提供了近乎完美的無容器環(huán)境，有利于材料自由生長或形態(tài)演變。價值體現(xiàn)在：可研究重力敏感現(xiàn)象的物理本質(zhì)，制備在地面上難以獲得的高品質(zhì)材料（如單晶、均質(zhì)合金、特殊多孔材料），發(fā)展新型材料制備工藝。應(yīng)用前景可舉例：航天應(yīng)用（耐熱結(jié)構(gòu)材料、輕質(zhì)高強合金）、電子工業(yè)（高純晶體、薄膜）、生物醫(yī)學(xué)（藥物緩釋載體、組織工程支架）等。2.解析思路：分析需點出主要挑戰(zhàn)：①微重力環(huán)境（空間站/衛(wèi)星）的獲取成本極高，實驗時間有限，空間資源受限。②在軌實驗設(shè)備的開發(fā)、部署、操作和維護難度大，可靠性要求高。③樣品制備、處理、測試過程中的微污染、微振動、輻射等干擾問題。④實驗數(shù)據(jù)的精確測量、傳輸、處理與分析面臨挑戰(zhàn)。⑤地面模擬的局限性，難以完全復(fù)現(xiàn)真實微重力環(huán)境。解決方案/發(fā)展方向可探討：發(fā)展更小型化、智能化、自動化的在軌實驗系統(tǒng)；利用旋轉(zhuǎn)設(shè)施等地面模擬手段進行更深入研究；結(jié)合數(shù)值模擬進行預(yù)測與優(yōu)化；探索更低成本、更長時間的微重力平臺（如高空拋射、拋物線飛行）；加強多學(xué)科交叉融合，提升實驗和數(shù)據(jù)分析能力。3.解析思路：設(shè)計方案需考慮關(guān)鍵要素：①明確測試材料的具體化學(xué)成分和預(yù)期研究目標（例如，研究凝固過程中的晶粒生長行為、成分偏析情況等）。②選擇合適的原位測試設(shè)備，如帶有高溫相機和熱電偶的顯微鏡、X射線探針、差示掃描量熱計（DSC）等，確保能在高溫和微重力模擬環(huán)境下工作并進行原位觀測。③確定關(guān)鍵測試參數(shù)，如加熱速率