2025年大學(xué)《空間科學(xué)與技術(shù)》專業(yè)題庫(kù)——星際旅行與星際飛船設(shè)計(jì)考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題3分，共30分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)字母填在題干后的括號(hào)內(nèi)。）1.根據(jù)狹義相對(duì)論，高速運(yùn)動(dòng)物體的長(zhǎng)度在運(yùn)動(dòng)方向上會(huì)收縮，這一現(xiàn)象被稱為？A.時(shí)間膨脹B.質(zhì)量增加C.長(zhǎng)度收縮D.速度變換2.以下哪種推進(jìn)方式主要利用電磁場(chǎng)加速帶電粒子或等離子體來(lái)產(chǎn)生推力？A.核熱推進(jìn)B.電推進(jìn)C.化學(xué)火箭D.慣性推進(jìn)3.在星際航行中，對(duì)宇航員構(gòu)成嚴(yán)重威脅的高能粒子主要來(lái)源于？A.地球磁場(chǎng)B.銀河宇宙射線C.太陽(yáng)風(fēng)D.星際塵埃4.旨在通過(guò)利用行星、恒星等的引力場(chǎng)來(lái)改變飛船速度和軌跡的技術(shù)被稱為？A.脈沖星導(dǎo)航B.引力彈弓效應(yīng)C.核聚變?nèi)紵鼶.太陽(yáng)帆展開(kāi)5.對(duì)于需要長(zhǎng)期自主運(yùn)行的星際飛船，以下哪項(xiàng)技術(shù)最為關(guān)鍵？A.高效燃料存儲(chǔ)B.高度自動(dòng)化與人工智能C.超高速激光推進(jìn)D.輕質(zhì)高強(qiáng)復(fù)合材料6.維持星際飛船內(nèi)宇航員生命所必需的閉環(huán)生命保障系統(tǒng)，其核心功能之一是？A.產(chǎn)生人工重力B.實(shí)現(xiàn)完全輻射屏蔽C.循環(huán)利用空氣和水D.瞬間進(jìn)行星際通訊7.目前理論上被認(rèn)為最具潛力但工程挑戰(zhàn)極大的推進(jìn)技術(shù)是？A.氫氧化學(xué)火箭B.氘氚核聚變推進(jìn)C.反物質(zhì)антивещество推進(jìn)D.電熱離子推進(jìn)8.在設(shè)計(jì)星際飛船結(jié)構(gòu)時(shí)，需要特別考慮材料能夠承受哪種極端環(huán)境？A.地球上的高濕度B.星際空間的真空和極端溫度變化C.普通的振動(dòng)和沖擊D.室內(nèi)的電磁干擾9.如果人類計(jì)劃前往距離地球10光年的恒星（如比鄰星），按照光速旅行的理論，單程所需時(shí)間大約是多少？A.10年B.10個(gè)月C.10天D.1000年10.星際旅行可能引發(fā)的倫理問(wèn)題之一是關(guān)于人類在發(fā)現(xiàn)地外生命跡象時(shí)的應(yīng)對(duì)策略和自身定位，這屬于哪個(gè)層面的思考？A.工程技術(shù)層面B.航天醫(yī)學(xué)層面C.哲學(xué)與社會(huì)層面D.資源利用層面二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填寫(xiě)在橫線上。）1.相對(duì)于靜止觀測(cè)者，高速運(yùn)動(dòng)物體的時(shí)間流逝會(huì)變慢，這一現(xiàn)象被稱為_(kāi)_________。2.能夠?qū)①|(zhì)量轉(zhuǎn)化為巨大能量的物理定律是愛(ài)因斯坦提出的__________方程。3.為了抵御星際空間的輻射，星際飛船需要采用鉛、水、混凝土等材料或結(jié)構(gòu)進(jìn)行__________。4.除了引力彈弓，利用__________（天體名稱或類型）進(jìn)行星際導(dǎo)航也是一種可能的方案。5.長(zhǎng)期太空飛行會(huì)導(dǎo)致宇航員肌肉萎縮和骨密度降低，這是失重環(huán)境下的主要生理問(wèn)題，通常被稱為_(kāi)_________。6.目前人類發(fā)射的探測(cè)器已越過(guò)日球?qū)?，進(jìn)入星際空間，其中最著名的例子是__________號(hào)。7.星際飛船的生命保障系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)水的閉環(huán)循環(huán)利用，以減少對(duì)地球攜帶資源的依賴，這被稱為_(kāi)_________技術(shù)。8.恒星際旅行中最主要的能量需求來(lái)自于__________（系統(tǒng)或過(guò)程）。9.如果不考慮理論上的曲速引擎或蟲(chóng)洞，目前人類掌握的能夠?qū)崿F(xiàn)高速（接近光速）推進(jìn)的技術(shù)尚不成熟，主要瓶頸在于__________（物理因素）。10.對(duì)星際飛船進(jìn)行有效導(dǎo)航，除了傳統(tǒng)的天文導(dǎo)航方法，還可以利用__________（物理現(xiàn)象或場(chǎng)）進(jìn)行自主定位。三、簡(jiǎn)答題（每題10分，共40分。請(qǐng)簡(jiǎn)要回答下列問(wèn)題。）1.簡(jiǎn)述核聚變推進(jìn)相比于核裂變推進(jìn)在理論上可能的優(yōu)勢(shì)。2.闡述星際旅行中，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期、穩(wěn)定能源供應(yīng)面臨的挑戰(zhàn)以及可能的解決方案。3.描述輻射對(duì)星際飛船及其宇航員可能造成的危害，并提出至少兩種主要的輻射防護(hù)措施。4.分析人類進(jìn)行恒星際旅行所面臨的主要技術(shù)瓶頸，并選擇其中一到兩個(gè)進(jìn)行更詳細(xì)的闡述。四、論述題（共30分。請(qǐng)就下列問(wèn)題展開(kāi)論述。）結(jié)合當(dāng)前科技發(fā)展水平，探討實(shí)現(xiàn)人類進(jìn)行首次恒星際旅行（例如，到達(dá)距離地球4.2光年的比鄰星）在理論上和工程實(shí)踐上面臨的最大挑戰(zhàn)，并分析人類社會(huì)可能需要做出哪些準(zhǔn)備或調(diào)整以支持如此宏偉的目標(biāo)。試卷答案一、選擇題1.C解析思路：狹義相對(duì)論指出，運(yùn)動(dòng)物體在運(yùn)動(dòng)方向上會(huì)經(jīng)歷長(zhǎng)度收縮，這是其基本效應(yīng)之一。時(shí)間膨脹是指時(shí)間變慢，質(zhì)量增加是指相對(duì)論質(zhì)量隨速度增加，速度變換是描述運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變，與長(zhǎng)度收縮概念不同。2.B解析思路：電推進(jìn)（ElectricPropulsion）利用高壓電場(chǎng)加速離子或等離子體，產(chǎn)生推力。核熱推進(jìn)利用核反應(yīng)產(chǎn)生熱能加熱工質(zhì)，化學(xué)火箭燃燒化學(xué)燃料產(chǎn)生推力，慣性推進(jìn)主要依賴發(fā)動(dòng)機(jī)推力改變自身慣性。3.B解析思路：銀河宇宙射線是來(lái)自銀河系各個(gè)方向的、能量極高的高能粒子流，主要由質(zhì)子和重離子組成，是星際航行中主要的輻射威脅源。太陽(yáng)風(fēng)雖然也有輻射，但強(qiáng)度和成分與銀河宇宙射線不同，且具有波動(dòng)性。地球磁場(chǎng)主要保護(hù)地球，對(duì)深空探測(cè)器影響有限。4.B解析思路：引力彈弓效應(yīng)（Gravitationalslingshot或Gravityassist）是指航天器利用行星（或其他天體）的引力場(chǎng)來(lái)改變自身的速度矢量（大小和/或方向），從而節(jié)省燃料，進(jìn)行星際轉(zhuǎn)移。脈沖星導(dǎo)航是利用脈沖星作為導(dǎo)航信標(biāo)，核聚變?nèi)紵峭七M(jìn)方式，太陽(yáng)帆展開(kāi)是利用光壓推進(jìn)。5.B解析思路：星際飛船需要長(zhǎng)時(shí)間自主飛行，遠(yuǎn)離地球支持，因此高度自動(dòng)化和人工智能對(duì)于故障診斷、任務(wù)決策、長(zhǎng)期運(yùn)行至關(guān)重要。高效燃料、輕質(zhì)材料也很重要，但自主性是長(zhǎng)期生存和執(zhí)行任務(wù)的基礎(chǔ)。6.C解析思路：閉環(huán)生命保障系統(tǒng)（Closed-loopLifeSupportSystem）的核心目標(biāo)是最大限度地回收和再利用飛船內(nèi)的空氣（氧氣、二氧化碳）和水，減少物資補(bǔ)給需求，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期駐留。人工重力、完全輻射屏蔽、瞬間通訊目前均非現(xiàn)實(shí)，水循環(huán)利用是閉環(huán)系統(tǒng)的關(guān)鍵功能。7.C解析思路：反物質(zhì)推進(jìn)理論上效率最高，能量密度極大，1克反物質(zhì)與1克物質(zhì)湮滅可釋放約9×10^16焦耳能量，遠(yuǎn)超核聚變。但其難點(diǎn)在于反物質(zhì)的制造、儲(chǔ)存和安全性，是當(dāng)前工程挑戰(zhàn)最大的方向。核聚變雖挑戰(zhàn)大，但已有研究基礎(chǔ)。其他選項(xiàng)是現(xiàn)有或較近期的技術(shù)。8.B解析思路：星際空間是真空環(huán)境，溫度極低且變化劇烈（例如從接近絕對(duì)零度到數(shù)干攝氏度），飛船結(jié)構(gòu)必須能在這種極端的溫度循環(huán)和真空環(huán)境下保持強(qiáng)度和完整性。地球上的高濕度、普通振動(dòng)、室內(nèi)電磁干擾不屬于星際飛船設(shè)計(jì)的極端環(huán)境范疇。9.A解析思路：根據(jù)狹義相對(duì)論，即使以接近光速（為簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)v=c）旅行，10光年距離也需要10年時(shí)間（相對(duì)于地球時(shí)間）。實(shí)際任何低于光速的旅行都需要更長(zhǎng)時(shí)間。選項(xiàng)A是最符合光速旅行計(jì)算的近似值。10.C解析思路：人類在宇宙中的位置、與地外文明的接觸、資源的未來(lái)利用等屬于哲學(xué)和社會(huì)倫理層面的深刻問(wèn)題，關(guān)乎人類文明的走向，是星際旅行帶來(lái)的長(zhǎng)遠(yuǎn)影響。工程技術(shù)層面關(guān)注如何實(shí)現(xiàn)旅行，醫(yī)學(xué)層面關(guān)注宇航員健康，資源利用層面是其中的一個(gè)方面，但哲學(xué)與社會(huì)層面更宏觀。二、填空題1.時(shí)間膨脹解析思路：狹義相對(duì)論的核心效應(yīng)之一，高速運(yùn)動(dòng)參考系中的時(shí)間流逝相對(duì)于靜止參考系變慢。2.E=mc2解析思路：愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程，揭示了質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化為巨大的能量，是核能和恒星能量的理論基礎(chǔ)，也適用于星際推進(jìn)系統(tǒng)能量來(lái)源的計(jì)算。3.輻射防護(hù)解析思路：為了抵御宇宙射線、星際塵埃粒子碰撞等帶來(lái)的輻射傷害，飛船結(jié)構(gòu)和材料需要提供屏蔽作用，這個(gè)過(guò)程稱為輻射防護(hù)。4.恒星/行星/小行星解析思路：除了行星進(jìn)行引力彈弓，利用近距離飛掠其他類型天體（如中子星、脈沖星、或大質(zhì)量小行星）也能獲得引力助推，雖然效果可能不同。5.營(yíng)養(yǎng)不良/肌肉萎縮和骨質(zhì)減少解析思路：失重環(huán)境下，人體缺乏重力負(fù)荷，導(dǎo)致肌肉蛋白質(zhì)分解增加、骨鈣流失，表現(xiàn)為體重減輕、肌肉無(wú)力、骨質(zhì)疏松等問(wèn)題，綜合稱為失重綜合征或營(yíng)養(yǎng)不良（特指蛋白質(zhì)-能量缺乏或相關(guān)代謝紊亂）。6.威爾遜山/帕克解析思路：帕克太陽(yáng)探測(cè)器已越過(guò)日球?qū)?，進(jìn)入星際空間。威爾遜山是望遠(yuǎn)鏡名稱，與探測(cè)器穿越日球?qū)訜o(wú)關(guān)。7.水循環(huán)/閉環(huán)水循環(huán)解析思路：指將飛船內(nèi)使用過(guò)的水（如呼吸排出、洗手、設(shè)備冷卻后的水）通過(guò)處理重新變?yōu)榭娠嬘没蚩捎玫臓顟B(tài)，減少對(duì)地球攜帶水資源的依賴。8.核反應(yīng)/核聚變反應(yīng)解析思路：目前最有潛力的恒星際推進(jìn)概念（如核聚變）以及理論上最有效的推進(jìn)方式（如反物質(zhì)）都依賴于核反應(yīng)釋放的巨大能量?；瘜W(xué)能、太陽(yáng)能等能量密度相對(duì)較低。9.能量來(lái)源/能量轉(zhuǎn)換效率/燃料密度解析思路：主要瓶頸在于如何獲得足夠強(qiáng)大且可持續(xù)的能量來(lái)驅(qū)動(dòng)能夠達(dá)到極高速度（如10%-20%光速）的推進(jìn)系統(tǒng)，這涉及到核反應(yīng)的能量輸出、熱能轉(zhuǎn)化為推力的效率、以及推進(jìn)劑的能量密度等。材料科學(xué)也是瓶頸，但能量是首要制約因素。10.恒星引力/引力場(chǎng)/天體引力信號(hào)解析思路：自主導(dǎo)航可以依靠探測(cè)和分析經(jīng)過(guò)的恒星、行星的引力場(chǎng)變化，或者利用激光測(cè)距等技術(shù)精確測(cè)量相對(duì)位置，從而無(wú)需依賴地面站的指令進(jìn)行導(dǎo)航定位。三、簡(jiǎn)答題1.核聚變推進(jìn)理論上可能的優(yōu)勢(shì)在于：*能量密度極高：氘氚核聚變反應(yīng)釋放的能量遠(yuǎn)超核裂變，燃料效率更高。*燃料來(lái)源廣泛：氘可以從海水中提取，氚可以通過(guò)鋰同位素中子俘獲生產(chǎn)，資源遠(yuǎn)比鈾豐富。*少量放射性廢料：主要產(chǎn)物是穩(wěn)定的氦，雖然氚本身和反應(yīng)堆材料可能帶有放射性，但總體廢料處理比核裂變更簡(jiǎn)單。*推力可調(diào)：通過(guò)調(diào)節(jié)反應(yīng)速率，理論上可以靈活控制推力大小。2.實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期、穩(wěn)定能源供應(yīng)面臨的挑戰(zhàn)及可能的解決方案：*挑戰(zhàn)：恒星際距離遙遠(yuǎn)，途中有大量死區(qū)（無(wú)恒星或太陽(yáng)帆無(wú)效區(qū)），能量需求巨大且需持續(xù)數(shù)十年甚至數(shù)百年。*解決方案：*核能：高功率、長(zhǎng)壽命的核反應(yīng)堆（如先進(jìn)核裂變堆、核聚變堆）是主要候選，需解決散熱、輻射屏蔽、安全和長(zhǎng)期可靠性問(wèn)題。*反物質(zhì)：理論上效率最高，但制造和儲(chǔ)存是巨大難題。*恒星帆：利用遙遠(yuǎn)恒星的輻射壓，但能量效率低，速度慢，且受距離平方反比影響。*質(zhì)子-反質(zhì)子湮滅：能量釋放效率極高，但技術(shù)和安全性挑戰(zhàn)極大。*情景組合：可能需要多種能源系統(tǒng)組合，例如在太陽(yáng)系內(nèi)或沿途利用太陽(yáng)帆/核聚變，到達(dá)目的地后利用當(dāng)?shù)刭Y源或小型核設(shè)施。3.輻射危害與防護(hù)措施：*危害：高能粒子（質(zhì)子、重離子、電子）可穿透飛船材料，直接轟擊宇航員身體，導(dǎo)致細(xì)胞損傷、基因突變、癌癥風(fēng)險(xiǎn)增加、中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷甚至死亡。也可損壞電子設(shè)備和材料。*防護(hù)措施：*物理屏蔽：在宇航員、關(guān)鍵設(shè)備周圍設(shè)置厚重的屏蔽材料，如高密度金屬（鉛、鎢）、水、聚乙烯等，利用物質(zhì)吸收或散射輻射。厚度的選擇需根據(jù)輻射類型和能量、允許的劑量率權(quán)衡。*航跡選擇與規(guī)避：盡量選擇遠(yuǎn)離高能輻射源（如某些脈沖星、伽馬射線暴）的航線。利用行星引力彈弓時(shí)，可設(shè)計(jì)特定軌道以減少穿越輻射區(qū)域的暴露。*被動(dòng)屏蔽/主動(dòng)防護(hù)：利用飛船本身結(jié)構(gòu)（如船體、燃料箱）作為部分屏蔽。研究主動(dòng)發(fā)射吸收粒子或偏轉(zhuǎn)輻射的磁場(chǎng)/等離子體盾（目前仍處于理論探索階段）。4.恒星際旅行面臨的主要技術(shù)瓶頸及闡述（選擇核聚變推進(jìn)的挑戰(zhàn)）：*主要技術(shù)瓶頸包括：推進(jìn)系統(tǒng)（達(dá)到足夠快的速度）、能源系統(tǒng)（提供持續(xù)巨大的能量）、生命保障系統(tǒng)（長(zhǎng)期閉環(huán)、輻射防護(hù)）、導(dǎo)航與通信（遠(yuǎn)距離、高精度自主）、材料科學(xué)（耐極端環(huán)境）、輻射防護(hù)、長(zhǎng)期宇航員生理與心理影響等。*闡述核聚變推進(jìn)的挑戰(zhàn)：*熱點(diǎn)問(wèn)題：如何將反應(yīng)所需的超高溫（上億攝氏度）等離子體約束住足夠長(zhǎng)的時(shí)間（能量增益時(shí)間），使其發(fā)生穩(wěn)定的聚變反應(yīng)。磁約束（托卡馬克、仿星器）和慣性約束（激光驅(qū)動(dòng)）都是難題。*燃料約束與加熱：如何有效注入、加熱、壓縮聚變?nèi)剂希埃?，并維持穩(wěn)定運(yùn)行。*工程尺寸與效率：建造足夠大、足夠高效、足夠可靠并能產(chǎn)生凈能量輸出的小型化核聚變反應(yīng)堆，并將其與推進(jìn)系統(tǒng)高效集成，技術(shù)難度極大。目前地球上實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的聚變研究（如ITER）尚處于發(fā)電驗(yàn)證階段，距離星際飛船應(yīng)用遙遠(yuǎn)。*安全與控制：處理運(yùn)行中產(chǎn)生的中子輻射、維持反應(yīng)堆的穩(wěn)定性和安全性、精確控制反應(yīng)過(guò)程。*成本與可及性：即使成功，建造和維護(hù)這樣復(fù)雜的系統(tǒng)將耗資巨大，且技術(shù)是否能在星際尺度經(jīng)濟(jì)可行是未知數(shù)。四、論述題（以下為論述點(diǎn)，非標(biāo)準(zhǔn)答案，需展開(kāi)詳細(xì)闡述）*最大挑戰(zhàn)：*推進(jìn)系統(tǒng)瓶頸：這是目前公認(rèn)的最大的技術(shù)障礙。要實(shí)現(xiàn)有意義的恒星際旅行（例如，在人類可接受的時(shí)間尺度內(nèi)，如幾十年），需要飛船速度達(dá)到光速的百分之幾到百分之十?，F(xiàn)有化學(xué)火箭速度太慢，核裂變推進(jìn)有所改進(jìn)但仍顯不足。實(shí)現(xiàn)足夠高的推力和比沖（效率）的推進(jìn)技術(shù)（如可控核聚變、反物質(zhì)）目前仍處于早期研究或理論階段，面臨巨大的物理學(xué)和工程學(xué)挑戰(zhàn)，包括如何產(chǎn)生、約束并利用上億度高溫的等離子體，如何實(shí)現(xiàn)能量增益，以及如何將反應(yīng)產(chǎn)生的巨大能量轉(zhuǎn)化為高效的推力。即使解決了聚變問(wèn)題，小型化、輕量化、長(zhǎng)壽命、高可靠性的星際級(jí)聚變引擎仍然是難以想象的工程壯舉。*能源需求與供應(yīng)：驅(qū)動(dòng)能產(chǎn)生如此高推力的引擎，并維持飛船上復(fù)雜生命保障系統(tǒng)、導(dǎo)航通信系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行，所需的能量是天文數(shù)字。目前的能源解決方案（如大型核反應(yīng)堆）在尺寸、重量、功率密度以及長(zhǎng)期可靠性方面都面臨巨大挑戰(zhàn)。燃料/能量供應(yīng)問(wèn)題可能比推進(jìn)本身更早成為限制因素。*生命保障系統(tǒng)的長(zhǎng)期閉環(huán)：在往返旅程可能持續(xù)數(shù)十年甚至上百年的情況下，需要實(shí)現(xiàn)近乎完美的空氣（氧氣、氮?dú)庋h(huán)，二氧化碳去除）、水（氫氧循環(huán)，雜質(zhì)去除）和廢物處理。任何環(huán)節(jié)的失敗都可能導(dǎo)致災(zāi)難性后果。此外，還需要解決失重或人工重力下的長(zhǎng)期生理影響（肌肉萎縮、骨質(zhì)流失、心血管功能退化等），以及如何應(yīng)對(duì)高能宇宙射線對(duì)宇航員的長(zhǎng)期損害（癌癥、基因損傷、認(rèn)知障礙等）。目前空間站上的生命保障系統(tǒng)離星際旅行的需求還有極遠(yuǎn)的距離。*極端工程環(huán)境的適應(yīng)性：飛船需要在極端溫度（陽(yáng)光直射與陰影區(qū)）、強(qiáng)輻射、高真空、微振動(dòng)等多種惡劣環(huán)境中長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。材料需要能耐極端溫