2025年大學(xué)《空間科學(xué)與技術(shù)》專業(yè)題庫(kù)——金星大氣層探測(cè)任務(wù)的技術(shù)難點(diǎn)考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡(jiǎn)述金星大氣層的物理化學(xué)特性，并指出其與地球大氣層的主要差異。二、金星大氣進(jìn)入返回器在進(jìn)入大氣層初期將面臨極其嚴(yán)峻的氣動(dòng)加熱問(wèn)題，簡(jiǎn)述其主要原因以及目前提出的幾種主要的防熱技術(shù)方案。三、金星大氣層濃厚且成分特殊，這對(duì)金星大氣層內(nèi)探測(cè)器的導(dǎo)航、控制和通信系統(tǒng)提出了哪些獨(dú)特的技術(shù)挑戰(zhàn)？請(qǐng)分別闡述。四、金星大氣層頂部的濃密云層嚴(yán)重遮擋了地表，使得直接觀測(cè)變得困難。請(qǐng)列舉幾種能夠穿透或繞過(guò)云層，實(shí)現(xiàn)對(duì)金星表面或近表面進(jìn)行有效探測(cè)的技術(shù)手段，并簡(jiǎn)述其原理。五、金星大氣層被認(rèn)為是太陽(yáng)系中最具研究?jī)r(jià)值的行星大氣之一，試論述對(duì)金星大氣層進(jìn)行探測(cè)的重要科學(xué)意義。六、設(shè)想一項(xiàng)未來(lái)金星大氣層探測(cè)任務(wù)，該任務(wù)旨在深入研究金星大氣層的電離層結(jié)構(gòu)。請(qǐng)針對(duì)金星大氣層電離層探測(cè)所面臨的技術(shù)難點(diǎn)，提出你的解決方案，包括探測(cè)器需要攜帶的關(guān)鍵儀器、進(jìn)入軌道的設(shè)計(jì)思路以及數(shù)據(jù)獲取與傳輸策略。試卷答案一、金星大氣層主要由二氧化碳（約96%）和氮?dú)猓s3.5%）組成，大氣壓約為地球表面的90倍，表面溫度高達(dá)約460℃。大氣層含有大量硫酸云，主要由硫酸液滴組成，厚度約30-50公里。與地球大氣層相比，金星大氣層的主要差異在于：成分以二氧化碳為主，大氣密度極高，表面溫度異常炎熱，存在硫酸云層，且缺乏明顯的臭氧層。解析：本題考察對(duì)金星大氣層基本組成和物理參數(shù)的掌握。需要學(xué)生能夠列舉金星大氣的主要成分及其比例，并描述其關(guān)鍵物理參數(shù)（壓力、溫度），同時(shí)與地球大氣進(jìn)行比較，突出其顯著差異。二、主要原因：金星大氣密度極高，探測(cè)器以高速進(jìn)入大氣層時(shí)，空氣劇烈壓縮產(chǎn)生巨大的氣動(dòng)加熱，溫度可瞬間達(dá)到數(shù)千攝氏度。防熱技術(shù)方案：1.防熱罩（ablativeheatshield）：利用可熔化、汽化或分解的材料吸收熱量，將熱量傳遞給外部，材料本身被消耗掉，從而保護(hù)內(nèi)部?jī)x器。2.燒蝕防熱：材料在高溫下發(fā)生化學(xué)分解和物理汽化，帶走大量熱量，形成穩(wěn)定的隔熱氣膜。3.被動(dòng)冷卻防熱：利用高發(fā)射率材料將熱量輻射到空間，或利用吸熱材料（如水）吸收熱量后通過(guò)噴氣等方式散失。解析：本題考察金星大氣進(jìn)入返回器面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)（氣動(dòng)加熱）及其解決方案。解析思路在于首先解釋氣動(dòng)加熱產(chǎn)生的原因（高密度大氣、高速進(jìn)入），然后列舉并簡(jiǎn)述主要的防熱技術(shù)原理，如防熱罩的材料特性、燒蝕過(guò)程、被動(dòng)冷卻機(jī)制等。三、金星大氣層內(nèi)探測(cè)器的導(dǎo)航、控制和通信系統(tǒng)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)：1.導(dǎo)航與控制：高度不確定性；大氣湍流和風(fēng)場(chǎng)劇烈變化導(dǎo)致姿態(tài)和軌跡難以精確控制；濃密大氣吸收部分紅外線，限制光學(xué)導(dǎo)航傳感器的使用；GPS信號(hào)無(wú)法接收。2.通信：電離層延遲和閃爍嚴(yán)重影響無(wú)線電信號(hào)傳輸質(zhì)量；大氣對(duì)信號(hào)的散射和吸收導(dǎo)致信號(hào)衰減；需要高增益天線和強(qiáng)大的發(fā)射功率。3.通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)：需要采用頻率捷變、糾錯(cuò)編碼等技術(shù)來(lái)對(duì)抗電離層干擾；可能需要多頻段、多路徑傳輸策略；需要設(shè)計(jì)抗干擾能力強(qiáng)的通信協(xié)議。解析：本題考察金星特殊大氣環(huán)境對(duì)探測(cè)器關(guān)鍵子系統(tǒng)的影響。解析思路在于分別針對(duì)導(dǎo)航、控制和通信三個(gè)子系統(tǒng)，分析金星大氣（高度、湍流、風(fēng)場(chǎng)、云層、電離層）帶來(lái)的具體挑戰(zhàn)，并指出相應(yīng)的技術(shù)難點(diǎn)，如信號(hào)丟失、精度下降、衰減嚴(yán)重等，并暗示可能的解決方案方向。四、能夠穿透或繞過(guò)云層，實(shí)現(xiàn)對(duì)金星表面或近表面進(jìn)行有效探測(cè)的技術(shù)手段：1.雷達(dá)探測(cè)：利用雷達(dá)波束穿透云層，通過(guò)發(fā)射脈沖并接收反射信號(hào)來(lái)探測(cè)金星表面地形、地貌、大氣參數(shù)（如溫度、風(fēng)場(chǎng)）等。原理是電磁波與目標(biāo)物質(zhì)相互作用產(chǎn)生反射。2.激光雷達(dá)（Lidar）：使用激光脈沖照射金星大氣，通過(guò)分析返回的散射光來(lái)獲取大氣密度、溫度、成分、風(fēng)場(chǎng)等信息。原理是激光與大氣粒子相互作用產(chǎn)生散射。3.紅外遙測(cè)/光譜探測(cè)：利用紅外探測(cè)器接收從金星表面或大氣層發(fā)出的紅外輻射，通過(guò)分析光譜特征來(lái)推斷表面溫度、成分、云層特性等。原理是物體發(fā)熱會(huì)輻射紅外線，不同成分分子輻射特征光譜不同。4.極區(qū)軌道探測(cè)：將探測(cè)器送入金星極地軌道，利用其背向太陽(yáng)的位置，使得探測(cè)器下方云層被太陽(yáng)光照亮，而探測(cè)器本身處于陰影中，從而獲得清晰的下視圖像，或者利用這一有利位置進(jìn)行大氣探測(cè)。解析：本題考察克服金星云層遮擋的探測(cè)技術(shù)。解析思路在于列舉幾種有效的探測(cè)手段（雷達(dá)、激光雷達(dá)、紅外、特定軌道），并簡(jiǎn)要說(shuō)明其工作原理，強(qiáng)調(diào)其能夠穿透或利用云層的特點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域的探測(cè)。五、對(duì)金星大氣層進(jìn)行探測(cè)的重要科學(xué)意義：1.行星科學(xué)：理解金星從類地行星演變?yōu)轭惸拘行堑倪^(guò)程，研究大氣演化的機(jī)制和動(dòng)力學(xué)。2.大氣科學(xué)：研究極端溫室效應(yīng)的形成機(jī)制，為理解地球氣候變化提供借鑒；研究金星大氣環(huán)流、風(fēng)場(chǎng)、天氣系統(tǒng)的形成和演變規(guī)律。3.地球科學(xué)：對(duì)比金星和地球的大氣，有助于理解行星宜居性的條件；研究金星大氣與太陽(yáng)風(fēng)相互作用，揭示日地系統(tǒng)相互作用過(guò)程。4.技術(shù)挑戰(zhàn)：探測(cè)金星大氣為空間探測(cè)技術(shù)（耐高溫、高密度大氣環(huán)境、遠(yuǎn)距離通信等）提供了極端環(huán)境下的試驗(yàn)場(chǎng)，推動(dòng)空間技術(shù)的發(fā)展。解析：本題考察金星大氣層探測(cè)的科學(xué)價(jià)值。解析思路在于從行星科學(xué)、大氣科學(xué)、地球科學(xué)以及空間技術(shù)發(fā)展等多個(gè)角度，闡述探測(cè)金星大氣的意義，強(qiáng)調(diào)其對(duì)理解行星演化、氣候形成、地球保護(hù)以及推動(dòng)科技進(jìn)步的重要性。六、未來(lái)金星大氣層電離層探測(cè)任務(wù)解決方案設(shè)想：關(guān)鍵儀器：攜帶多頻段（如VHF,UHF,SHF）的雷達(dá)和甚高頻（VHF）或特高頻（UHF）的無(wú)線電occultation（星蝕）探測(cè)器，用于探測(cè)電離層電子密度、溫度、等離子體漂移等參數(shù)；高靈敏度等離子體分析儀用于測(cè)量離子和電子成分。進(jìn)入軌道設(shè)計(jì)：采用大氣層進(jìn)入與下降（EDL）階段進(jìn)行電離層探測(cè)的設(shè)計(jì)，利用雷達(dá)或射電occultation技術(shù)在下降過(guò)程中連續(xù)測(cè)量；或者將探測(cè)器部署在低高度圓軌道（如250-500公里），利用星載雷達(dá)或射電接收機(jī)進(jìn)行長(zhǎng)期、連續(xù)的電離層監(jiān)測(cè)。數(shù)據(jù)獲取與傳輸策略：利用大氣occultation技術(shù)在行星通過(guò)恒星背后時(shí)，精確測(cè)量星光延遲變化，反演電子密度剖面；或者利用雷達(dá)發(fā)射信號(hào)并接收來(lái)自目標(biāo)天體（如恒星、其他行星）的回波信號(hào)，通過(guò)分析回波特性獲取電離層信息；采用抗干擾通信技術(shù)確保從高真空到濃厚大氣層的數(shù)據(jù)可靠傳輸；使用高增益天線和強(qiáng)大的發(fā)射機(jī)，結(jié)合多頻段觀測(cè)以獲取更豐富的電離層信息。解析：本題