2025年大學(xué)《空間科學(xué)與技術(shù)》專業(yè)題庫(kù)——太空中材料熱學(xué)性能研究及應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、名詞解釋（每小題3分，共15分）1.真空熱傳導(dǎo)2.空間輻射損傷3.熱膨脹系數(shù)4.熱失控5.航天器熱控涂層二、簡(jiǎn)答題（每小題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述真空環(huán)境如何影響材料的導(dǎo)熱性能。2.太空環(huán)境的溫度循環(huán)對(duì)材料結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生哪些不利影響？3.簡(jiǎn)述熱管作為一種航天器熱控部件的工作原理及其主要優(yōu)勢(shì)。4.為什么說準(zhǔn)確測(cè)量材料在太空真空環(huán)境下的熱物性參數(shù)非常困難？三、論述題（每小題10分，共30分）1.論述材料的熱膨脹性能對(duì)航天器結(jié)構(gòu)（如太陽(yáng)能電池板、天線）可靠性的影響，并提出至少兩種緩解熱應(yīng)力影響的設(shè)計(jì)或材料選擇策略。2.以某種具體的航天器部件（如電子設(shè)備散熱器、空間站艙外設(shè)備）為例，分析其在工作過程中面臨的主要熱挑戰(zhàn)，并說明選擇其熱控材料時(shí)需要考慮的關(guān)鍵熱學(xué)性能指標(biāo)。3.闡述空間輻射對(duì)材料熱學(xué)性能可能產(chǎn)生的復(fù)雜影響，并舉例說明如何通過材料選擇或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來提高航天器部件在輻射環(huán)境下的熱穩(wěn)定性。四、計(jì)算題（共35分）1.（15分）一塊尺寸為10cmx10cmx1cm的方形鋁制航天器組件，在太空中經(jīng)歷一個(gè)溫度周期，其表面溫度從-150°C線性變化到+150°C，周期時(shí)間為12小時(shí)。假設(shè)鋁的體積熱膨脹系數(shù)α=23x10^-6/°C，彈性模量E=70GPa，泊松比ν=0.33。忽略組件內(nèi)部溫度梯度，計(jì)算該組件在此溫度周期內(nèi)因熱膨脹導(dǎo)致的中心與邊緣之間產(chǎn)生的最大熱應(yīng)力（單位：MPa）。2.（20分）某航天器上使用的復(fù)合材料熱控板，在太陽(yáng)直射下吸收太陽(yáng)輻射能，其表面溫度升高。已知太陽(yáng)輻射強(qiáng)度S=1361W/m2，復(fù)合材料吸收率α=0.8，其熱導(dǎo)率k=0.5W/(m·K)，密度ρ=1800kg/m3，比熱容c=800J/(kg·K)，板厚L=0.005m。假設(shè)板背面絕熱，環(huán)境溫度T_amb=0°C。請(qǐng)建立一維穩(wěn)態(tài)傳熱模型，分析太陽(yáng)輻射熱如何被材料吸收并傳導(dǎo)至背面，并計(jì)算達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，材料背面的溫度T_back（單位：°C）。忽略材料內(nèi)部對(duì)流和輻射傳熱。五、綜合應(yīng)用題（30分）1.現(xiàn)代深空探測(cè)器需要在極低溫（如-200°C）和極高溫（如+150°C）的極端溫差環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。請(qǐng)分析這種極端溫度循環(huán)對(duì)探測(cè)器上使用的關(guān)鍵材料（如傳感器材料、結(jié)構(gòu)件材料、密封材料）可能帶來的熱挑戰(zhàn)，并分別針對(duì)至少三種不同類型的材料，提出相應(yīng)的材料選擇原則或改進(jìn)措施，以確保探測(cè)器在深空任務(wù)中的熱可靠性。試卷答案一、名詞解釋1.真空熱傳導(dǎo)：指在真空環(huán)境中，由于材料內(nèi)部載流子（如聲子、電子）的運(yùn)動(dòng)和碰撞，導(dǎo)致熱量從高溫區(qū)向低溫區(qū)傳遞的現(xiàn)象。由于缺乏對(duì)流和大部分輻射，真空環(huán)境下的熱傳導(dǎo)主要依賴材料本身的導(dǎo)熱能力。2.空間輻射損傷：指高能粒子（如質(zhì)子、重離子）或空間紫外線等輻射與材料原子或分子相互作用，引起材料微觀結(jié)構(gòu)（如晶格缺陷、化學(xué)鍵斷裂、相變）改變，進(jìn)而導(dǎo)致材料宏觀性能（如力學(xué)性能、熱學(xué)性能、電學(xué)性能）退化或發(fā)生功能失效的現(xiàn)象。3.熱膨脹系數(shù)：描述材料因溫度變化而體積或長(zhǎng)度發(fā)生相對(duì)變化的物理量。在航天領(lǐng)域，通常關(guān)注線膨脹系數(shù)（α），表示單位溫度變化引起材料長(zhǎng)度方向的相對(duì)變化率。4.熱失控：指航天器上某些部件（特別是含有易燃材料的部件）因異常散熱條件或內(nèi)部熱源，導(dǎo)致其溫度快速、無限制升高，最終可能引發(fā)燃燒、爆炸等嚴(yán)重?zé)釣?zāi)害的現(xiàn)象。5.航天器熱控涂層：指特意設(shè)計(jì)應(yīng)用于航天器表面，通過控制材料的光吸收率、發(fā)射率、導(dǎo)熱性等熱物理特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)航天器表面溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)、抑制或反射的功能性涂層材料或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)。二、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述真空環(huán)境如何影響材料的導(dǎo)熱性能。解析思路：真空環(huán)境消除了對(duì)流和大部分輻射傳熱方式。導(dǎo)熱是熱量傳遞的三種基本方式之一。因此，在真空環(huán)境下，熱量傳遞主要依靠材料內(nèi)部的導(dǎo)熱。真空本身對(duì)材料內(nèi)部載流子的導(dǎo)熱過程影響不大，但真空環(huán)境使得材料成為熱量唯一或主要的傳遞途徑，使得材料自身的導(dǎo)熱性能顯得更為重要?？梢哉f，真空環(huán)境“凸顯”了材料的固有導(dǎo)熱能力，并使得對(duì)流和輻射對(duì)總熱傳遞的貢獻(xiàn)變得極小。答案要點(diǎn)：真空消除了對(duì)流和大部分輻射傳熱；熱量主要通過材料內(nèi)部導(dǎo)熱傳遞；真空下材料自身導(dǎo)熱性能是關(guān)鍵因素。2.太空環(huán)境的溫度循環(huán)對(duì)材料結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生哪些不利影響？解析思路：太空環(huán)境存在劇烈且快速的溫差變化（如陽(yáng)光直射與陰影區(qū)、晝夜交替、季節(jié)變化等）。這種極端的、周期性的溫度循環(huán)會(huì)導(dǎo)致材料發(fā)生熱脹冷縮。如果材料的線膨脹系數(shù)不均勻，或其與相鄰部件的膨脹系數(shù)差異大，會(huì)產(chǎn)生巨大的熱應(yīng)力。持續(xù)的熱應(yīng)力作用可能導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋、晶界滑移、相變、疲勞損傷等結(jié)構(gòu)破壞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致材料斷裂或功能失效。答案要點(diǎn)：熱脹冷縮導(dǎo)致熱應(yīng)力；熱應(yīng)力可能引起微裂紋、相變、疲勞、斷裂等結(jié)構(gòu)損傷。3.簡(jiǎn)述熱管作為一種航天器熱控部件的工作原理及其主要優(yōu)勢(shì)。解析思路：熱管是一種高效的熱量傳輸裝置，其核心原理是利用封閉管殼內(nèi)的工作介質(zhì)相變（蒸發(fā)和冷凝）來實(shí)現(xiàn)熱量傳遞。當(dāng)熱端受熱時(shí)，工作介質(zhì)吸收熱量并蒸發(fā)成氣體，氣態(tài)介質(zhì)在壓差驅(qū)動(dòng)下流向冷端，在冷端釋放熱量并冷凝成液體，液態(tài)介質(zhì)再通過毛細(xì)結(jié)構(gòu)（如吸液芯）回流至熱端，完成一個(gè)循環(huán)。主要優(yōu)勢(shì)在于具有極高的導(dǎo)熱效率（遠(yuǎn)超固體導(dǎo)熱）、結(jié)構(gòu)靈活、可靠性高、可維護(hù)性好等。答案要點(diǎn)：利用工作介質(zhì)相變（蒸發(fā)-冷凝）傳熱；蒸發(fā)吸熱，冷凝放熱；毛細(xì)結(jié)構(gòu)回流；高導(dǎo)熱效率、結(jié)構(gòu)靈活、可靠性高。4.為什么說準(zhǔn)確測(cè)量材料在太空真空環(huán)境下的熱物性參數(shù)非常困難？解析思路：在真空環(huán)境下，缺乏對(duì)流和大部分輻射傳熱途徑，使得熱量傳遞方式單一，主要依賴材料自身導(dǎo)熱。這給測(cè)量帶來了挑戰(zhàn)：1）如何建立有效的真空實(shí)驗(yàn)環(huán)境；2）如何精確測(cè)量極低的對(duì)流和輻射熱流；3）如何精確測(cè)量材料內(nèi)部或表面微小的溫度變化；4）如何消除環(huán)境（如宇宙射線、背景輻射）對(duì)測(cè)量的干擾；5）如何設(shè)計(jì)能真實(shí)模擬太空服役條件的測(cè)量裝置。這些因素都增加了準(zhǔn)確測(cè)量的難度。三、論述題1.論述材料的熱膨脹性能對(duì)航天器結(jié)構(gòu)（如太陽(yáng)能電池板、天線）可靠性的影響，并提出至少兩種緩解熱應(yīng)力影響的設(shè)計(jì)或材料選擇策略。解析思路：首先分析熱膨脹性能影響：材料的線性熱膨脹系數(shù)α決定了其在溫度變化下長(zhǎng)度的改變量ΔL=L?αΔT。對(duì)于大尺寸結(jié)構(gòu)（如太陽(yáng)能電池板、天線），即使ΔT不大，ΔL也會(huì)相當(dāng)可觀。如果結(jié)構(gòu)中不同部件或整體與基座之間熱膨脹系數(shù)不匹配，會(huì)產(chǎn)生巨大的熱應(yīng)力（熱應(yīng)力σ≈EαΔT，E為彈性模量），可能導(dǎo)致材料開裂、結(jié)構(gòu)變形、連接失效、光學(xué)性能（如電池板傾角、天線指向）漂移等，嚴(yán)重影響航天器任務(wù)壽命和性能。其次提出緩解策略：1）材料選擇策略：選用低熱膨脹系數(shù)（α?。┑牟牧?，或使結(jié)構(gòu)中不同部件具有匹配的熱膨脹系數(shù)；選用熱膨脹系數(shù)隨溫度變化較小的材料（α/T近似為常數(shù)）；2）設(shè)計(jì)策略：采用柔性連接結(jié)構(gòu)，允許部件在熱脹冷縮時(shí)有相對(duì)位移；設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，在裝配時(shí)引入一定的初始應(yīng)力以補(bǔ)償工作過程中的熱應(yīng)力；采用隔熱措施，減小結(jié)構(gòu)內(nèi)部或不同部件之間的溫度梯度，從而減小熱應(yīng)力。答案要點(diǎn)：闡述α對(duì)大尺寸結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度變化和熱應(yīng)力的貢獻(xiàn)；分析熱應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)可靠性（開裂、變形、連接失效、性能漂移）的危害；提出材料選擇策略（選α小、匹配α、α/T穩(wěn)定）和設(shè)計(jì)策略（柔性連接、預(yù)應(yīng)力、隔熱）。2.以某種具體的航天器部件（如電子設(shè)備散熱器、空間站艙外設(shè)備）為例，分析其在工作過程中面臨的主要熱挑戰(zhàn)，并說明選擇其熱控材料時(shí)需要考慮的關(guān)鍵熱學(xué)性能指標(biāo)。解析思路：選擇一個(gè)具體部件，例如電子設(shè)備散熱器。分析其熱挑戰(zhàn)：1）電子器件工作時(shí)產(chǎn)生大量廢熱，需要在短時(shí)間內(nèi)有效地將熱量從器件表面?zhèn)鲗?dǎo)至散熱器，并最終散逸到空間環(huán)境或通過其他方式耗散；2）散熱器表面需要將吸收的熱量以輻射為主的方式散到冷空間（通常溫度極低，如3K）；3）航天器在軌道上經(jīng)歷劇烈的溫度循環(huán)和太陽(yáng)照射，散熱器材料需要承受反復(fù)的熱應(yīng)力；4）散熱器結(jié)構(gòu)需要在重量和散熱效率之間取得平衡。基于這些挑戰(zhàn)，選擇熱控材料時(shí)需考慮的關(guān)鍵熱學(xué)性能指標(biāo)包括：高導(dǎo)熱率（k）以確保內(nèi)部高效傳熱；高太陽(yáng)吸收率（α）和（或）高發(fā)射率（ε）以增強(qiáng)散熱能力，特別是輻射散熱能力；低熱膨脹系數(shù)（α）以抵抗熱循環(huán)帶來的熱應(yīng)力；足夠的強(qiáng)度和剛度以滿足結(jié)構(gòu)支撐需求；良好的真空性能和空間兼容性（如無污染）；以及輕質(zhì)化潛力（如低密度ρ）。答案要點(diǎn)：明確具體部件（如電子散熱器）；分析其主要熱挑戰(zhàn)（內(nèi)部傳熱、外部散熱、熱循環(huán)、結(jié)構(gòu)重量）；列出選擇材料時(shí)需考慮的關(guān)鍵熱學(xué)指標(biāo)（k,α,ε,α,強(qiáng)度,真空兼容性,ρ）并簡(jiǎn)述原因。3.闡述空間輻射對(duì)材料熱學(xué)性能可能產(chǎn)生的復(fù)雜影響，并舉例說明如何通過材料選擇或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來提高航天器部件在輻射環(huán)境下的熱穩(wěn)定性。解析思路：闡述輻射影響：空間輻射（高能粒子、紫外線等）不僅能損傷材料的化學(xué)鍵和微觀結(jié)構(gòu)（如產(chǎn)生缺陷、誘發(fā)相變、改變微觀形貌），這些結(jié)構(gòu)變化會(huì)直接、復(fù)雜地影響材料的熱學(xué)性能。例如，輻射可能降低材料晶格振動(dòng)頻率（聲子），導(dǎo)致導(dǎo)熱率下降；也可能引入新的高導(dǎo)熱通道或改變熱阻，使導(dǎo)熱行為異常；輻射損傷可能改變材料的比熱容；產(chǎn)生的缺陷和相變可能改變材料的熱膨脹系數(shù)（α）和熱膨脹行為；還可能影響材料的紅外發(fā)射率（ε），進(jìn)而影響其輻射散熱能力。這些影響通常是累積的、非線性的，且可能因輻射類型、劑量、溫度等因素而異。提高熱穩(wěn)定性的方法：材料選擇：選用對(duì)輻射損傷不敏感的材料，如某些陶瓷（SiC,AlN）、金屬間化合物、或經(jīng)過特殊輻照改性的材料；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：采用多層防護(hù)結(jié)構(gòu)，利用低原子序數(shù)材料（如LiF,Be）吸收特定輻射（如中子），在輻射屏蔽層外再覆蓋主承力或功能層；設(shè)計(jì)冗余或可修復(fù)結(jié)構(gòu)，以便在部件因輻射損傷失效后進(jìn)行更換或修復(fù)；利用材料的輻射自愈能力（如果存在）；在允許范圍內(nèi)降低工作溫度，因?yàn)榈蜏赝ǔＤ軠p緩輻射損傷的進(jìn)程。四、計(jì)算題1.（15分）一塊尺寸為10cmx10cmx1cm的方形鋁制航天器組件，在太空中經(jīng)歷一個(gè)溫度周期，其表面溫度從-150°C線性變化到+150°C，周期時(shí)間為12小時(shí)。假設(shè)鋁的體積熱膨脹系數(shù)α=23x10^-6/°C，彈性模量E=70GPa，泊松比ν=0.33。忽略組件內(nèi)部溫度梯度，計(jì)算該組件在此溫度周期內(nèi)因熱膨脹導(dǎo)致的中心與邊緣之間產(chǎn)生的最大熱應(yīng)力（單位：MPa）。解析思路：這是一個(gè)典型的熱應(yīng)力問題。由于組件在溫度變化過程中被約束，其熱膨脹被抑制，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力。中心與邊緣之間的最大溫差為300°C。由于組件在邊緣受到的約束通常大于中心，邊緣處會(huì)產(chǎn)生最大壓縮熱應(yīng)力。計(jì)算公式為σ=EαΔT(1-ν)。注意體積熱膨脹系數(shù)α需要轉(zhuǎn)換為線膨脹系數(shù)α_line=α/(1-2ν)，但在此問題中，直接使用給定的α=23x10^-6/°C進(jìn)行計(jì)算通常被認(rèn)為是可接受的簡(jiǎn)化，尤其是在比較不同情況時(shí)。計(jì)算步驟：計(jì)算ΔT=150-(-150)=300K；計(jì)算熱應(yīng)力σ=(70x10^9Pa)*(23x10^-6/°C)*(300K)*(1-0.33)。2.（20分）某航天器上使用的復(fù)合材料熱控板，在太陽(yáng)直射下吸收太陽(yáng)輻射能，其表面溫度升高。已知太陽(yáng)輻射強(qiáng)度S=1361W/m2，復(fù)合材料吸收率α=0.8，其熱導(dǎo)率k=0.5W/(m·K)，密度ρ=1800kg/m3，比熱容c=800J/(kg·K)，板厚L=0.005m。假設(shè)板背面絕熱，環(huán)境溫度T_amb=0°C。請(qǐng)建立一維穩(wěn)態(tài)傳熱模型，分析太陽(yáng)輻射熱如何被材料吸收并傳導(dǎo)至背面，并計(jì)算達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，材料背面的溫度T_back（單位：°C）。解析思路：這是一個(gè)典型的穩(wěn)態(tài)一維傳熱問題。太陽(yáng)輻射被材料表面吸收，一部分熱量用于加熱材料，另一部分熱量通過背面以熱傳導(dǎo)方式散失到環(huán)境。當(dāng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入材料的熱量等于從背面散失的熱量。熱量傳遞路徑：表面吸收的輻射熱Q_in=αS；材料升溫所需的熱量Q_mat=ρcVΔT=ρc(L)ΔT，其中V是單位面積上的體積，ΔT是表面溫度T_s與環(huán)境溫度T_amb之間的溫差；背面散失的熱量Q_cond=kA(T_s-T_amb)，其中A是單位面積，k是導(dǎo)熱系數(shù)。穩(wěn)態(tài)條件：Q_in=Q_cond。注意：Q_mat/A=ρcLΔT。將αS=kL(T_s-T_amb)/(ρcL)代入整理，得到T_s=(αSρcL+kT_amb)/k。已知T_amb=0°C，代入數(shù)值計(jì)算即可。3.（20分）某航天器上使用的復(fù)合材料熱控板，在太陽(yáng)直射下吸收太陽(yáng)輻射能，其表面溫度升高。已知太陽(yáng)輻射強(qiáng)度S=1361W/m2，復(fù)合材料吸收率α=0.8，其熱導(dǎo)率k=0.5W/(m·K)，密度ρ=1800kg/m3，比熱容c=800J/(kg·K)，板厚L=0.005m。假設(shè)板背面絕熱，環(huán)境溫度T_amb=0°C。請(qǐng)建立一維穩(wěn)態(tài)傳熱模型，分析太陽(yáng)輻射熱如何被材料吸收并傳導(dǎo)至背面，并計(jì)算達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，材料背面的溫度T_back（單位：°C）。解析思路：這是一個(gè)典型的穩(wěn)態(tài)一維傳熱問題。太陽(yáng)輻射被材料表面吸收，一部分熱量用于加熱材料，另一部分熱量通過背面以熱傳導(dǎo)方式散失到環(huán)境。當(dāng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入材料的熱量等于從背面散失的熱量。熱量傳遞路徑：表面吸收的輻射熱Q_in=αS；材料升溫所需的熱量Q_mat=ρcVΔT=ρc(L)ΔT，其中V是單位面積上的體積，ΔT是表面溫度T_s與環(huán)境溫度T_amb之間的溫差；背面散失的熱量Q_cond=kA(T_s-T_amb)，其中A是單位面積，k是導(dǎo)熱系數(shù)。穩(wěn)態(tài)條件：Q_in=Q_cond。注意：Q_mat/A=ρcLΔT。將αS=kL(T_s-T_amb)/(ρcL)代入整理，得到T_s=(αSρcL+kT_amb)/k。已知T_amb=0°C，代入數(shù)值計(jì)算即可。五、綜合應(yīng)用題1.現(xiàn)代深空探測(cè)器需