2025年大學《空間科學與技術》專業(yè)題庫——載人航天任務的艙內空氣凈化技術考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、名詞解釋（每題4分，共20分）1.艙內空氣環(huán)境控制2.慣性分離3.活性炭吸附4.載人航天器密閉空間5.微重力沉降二、簡答題（每題6分，共30分）1.簡述載人航天器艙內空氣的主要污染物來源。2.靜電除塵技術在空間空氣凈化中面臨哪些特殊挑戰(zhàn)？3.與地面應用相比，微重力環(huán)境如何影響過濾器的性能？4.簡述艙內空氣凈化系統(tǒng)對可靠性和可維護性的基本要求。5.為什么說能量效率和資源再生是空間空氣凈化技術的重要考量因素？三、論述題（每題10分，共40分）1.論述揮發(fā)性有機化合物（VOCs）對人體健康和航天器設備可能造成的危害，并簡述幾種主要的VOCs去除技術及其原理。2.結合具體例子，論述設計適用于載人航天器的空氣凈化系統(tǒng)時，需要重點考慮哪些關鍵技術與平衡因素？3.分析微重力環(huán)境對傳統(tǒng)重力沉降和慣性分離式空氣凈化設備（如沉降室、慣性除塵器）的工作機理帶來的影響。4.探討未來載人航天任務對艙內空氣凈化技術可能提出的新需求和發(fā)展方向。四、方案設計題（20分）假設你正在參與一項近地軌道載人飛船的生命保障系統(tǒng)設計，該飛船乘員艙內需要處理的環(huán)境空氣流量為5m3/min，主要污染物為二氧化碳（濃度峰值要求低于2%體積分數）和人體產生的顆粒物（粒徑分布廣泛，需高效去除）。請簡述你將選擇哪種空氣凈化技術組合，并說明選擇理由，同時考慮系統(tǒng)的體積、重量、功耗和可靠性要求。試卷答案一、名詞解釋1.艙內空氣環(huán)境控制：指通過技術手段對載人航天器密閉空間內的空氣成分、壓力、溫度、濕度、潔凈度等參數進行維持、調節(jié)和控制，以保障航天員健康、舒適，并確保設備正常運行的綜合管理過程。**解析思路：*定義需涵蓋對象（艙內空氣）、范圍（成分、壓力、溫濕度、潔凈度等）、目的（保障航天員健康舒適、設備運行）和性質（技術手段、綜合管理過程）。2.慣性分離：利用氣體或顆粒流體流經障礙物或轉彎時，由于慣性作用導致較重顆粒物偏離主流線而被分離的技術。**解析思路：*關鍵在于說明原理（慣性作用導致顆粒偏離主流線）和結果（分離）?？商峒俺Ｒ娦问饺鐡醢迨?、百葉窗式等。3.活性炭吸附：利用活性炭表面巨大的比表面積和多孔結構對氣體或溶解性物質進行物理吸附或化學吸附，從而將其從空氣中去除的技術。**解析思路：*核心是說明吸附劑（活性炭）和吸附機理（物理或化學吸附、大比表面積多孔結構）。4.載人航天器密閉空間：指載人航天器內部與外界環(huán)境隔離、相對封閉的艙體或區(qū)域，如乘員艙、設備艙等，空氣在此循環(huán)流動。**解析思路：*定義需突出“密閉”（與外界隔離、相對封閉）和“內部空間”的特點，并點明空氣循環(huán)特性。5.微重力沉降：在微重力或低重力環(huán)境下，利用顆粒物與氣體密度差產生的微弱浮力或氣體分子的隨機碰撞（布朗運動）導致顆粒物發(fā)生緩慢遷移或沉降的現象。**解析思路：*關鍵在于說明環(huán)境（微重力/低重力）和原理（密度差產生微弱浮力/布朗運動導致緩慢遷移/沉降）。二、簡答題1.載人航天器艙內空氣的主要污染物來源包括：航天員呼吸產生的二氧化碳、水蒸氣和代謝產物；宇航服排放的氣體；空氣revitalizationsystem（生保系統(tǒng)）再生過程中產生的污染物（如揮發(fā)性有機物VOCs、硫化物、氮氧化物等）；設備（如電子設備、電源）運行產生的揮發(fā)性有機物和熱量；材料緩慢釋放出的氣態(tài)物質和微粒；空氣泄漏可能帶來的外部環(huán)境污染物。**解析思路：*從主要對象（航天員、生保系統(tǒng)、設備、材料、外部）出發(fā)，列舉各類代表性污染物及其來源。2.靜電除塵技術在空間空氣凈化中面臨的主要挑戰(zhàn)包括：微重力環(huán)境下，顆粒物不易在電場中沉降，增加了收集效率和設備尺寸的要求；空間環(huán)境中塵埃粒子可能污染電極表面，影響放電均勻性和除塵效率，且清理困難；需要高可靠性的高壓電源和復雜的控制系統(tǒng)；對設備材料的真空耐受性和空間環(huán)境適應性（如空間輻射）要求高。**解析思路：*結合微重力、空間環(huán)境（塵埃、輻射）、設備可靠性等關鍵因素，分析對靜電除塵原理、效率、結構、控制帶來的挑戰(zhàn)。3.微重力環(huán)境對過濾器性能的影響主要體現在：傳統(tǒng)依賴重力沉降或慣性分離的過濾器（如重力沉降室、慣性除塵器）效率顯著降低，因為顆粒物缺乏有效的沉降驅動力和慣性偏離路徑；顆粒物更容易懸浮在氣流中，增加了氣流的阻力，可能導致過濾器壓降增大、透氣性下降；過濾介質的選擇需要考慮其在微重力下防止顆粒物堵塞和自身變形的性能；過濾過程可能更依賴于擴散（布朗運動），對亞微米顆粒的捕獲能力可能變化。**解析思路：*對比重力/慣性作用在微重力下的變化，分析對沉降、分離效率、氣流阻力、介質選擇和擴散現象的影響。4.艙內空氣凈化系統(tǒng)對可靠性和可維護性的基本要求包括：高可靠性要求系統(tǒng)具有極高的平均無故障時間（MTBF），關鍵部件冗余設計，能在空間環(huán)境中長期穩(wěn)定運行，故障率極低，以保障航天員生命安全；可維護性要求系統(tǒng)設計便于在軌檢查、故障診斷和一定程度上的維護或更換，但由于空間任務的特殊性，維護窗口寶貴且操作困難，因此更強調設計的簡潔性、故障自診斷能力和長期免維護設計。**解析思路：*從保障生命安全和任務成功角度，闡述對系統(tǒng)穩(wěn)定運行（可靠性）和在特殊條件下進行維護（可維護性）的核心要求及相互關系。5.能量效率和資源再生是空間空氣凈化技術的重要考量因素，因為：空間站或飛船是密閉環(huán)境，能源（如太陽能、蓄電池）和水資源極其有限，高能耗的凈化系統(tǒng)會加速資源消耗，縮短任務壽命或增加補給負擔；空氣凈化過程產生的廢棄物（如飽和吸附劑、廢濾料）在軌處理和返回地球都很困難且成本高昂，因此發(fā)展資源再生技術（如吸附劑的再生、水的回收）可以最大限度地減少廢棄物，節(jié)約寶貴資源，提高任務的可持續(xù)性。**解析思路：*結合空間環(huán)境的資源限制特點，分析高能耗對資源消耗的影響，以及資源再生對減少廢棄物、節(jié)約資源、提高可持續(xù)性的重要意義。三、論述題1.揮發(fā)性有機化合物（VOCs）主要來源于宇航服、某些材料（如座椅、墻面）、電子設備、電源、以及生保系統(tǒng)（如二氧化碳吸收劑）的再生過程等。它們可能對人體健康造成危害，如引起頭痛、眼鼻喉刺激、過敏反應，長期暴露還可能損害肝臟、腎臟等器官。對航天器設備可能造成危害，如腐蝕金屬部件、影響電子元器件性能、甚至引發(fā)火災。主要的去除技術包括：活性炭吸附法，利用活性炭的多孔結構吸附VOCs分子；催化轉化法，通過催化劑將VOCs轉化為無害的CO?和H?O；低溫等離子體法，利用高能電子或自由基分解VOCs；光催化氧化法，利用光照和催化劑降解VOCs。其原理分別基于物理吸附、化學反應、高能粒子轟擊和半導體催化等。**解析思路：*首先點明VOCs的來源和危害（對人和設備）。然后列舉幾種主流技術，并簡要說明其核心原理，體現對不同技術路徑的理解。2.設計適用于載人航天器的空氣凈化系統(tǒng)時，需要重點考慮的關鍵技術與平衡因素包括：高效凈化技術組合，必須能有效去除CO?、顆粒物、VOCs等多種污染物，并滿足嚴格的濃度標準；微重力適應性，技術選擇和系統(tǒng)設計需克服微重力對分離、沉降、過濾等過程的不利影響，可能需要采用特殊設計的設備；系統(tǒng)可靠性，必須保證極高的穩(wěn)定性和冗余度，確保在軌長期無故障運行；資源效率（能量和物質），凈化過程的功耗要低，并盡可能實現凈化介質（如吸附劑、濾料）的再生或高效利用，以節(jié)省能源和物資；空間適應性（體積、重量、環(huán)境兼容性），系統(tǒng)整體尺寸、重量、功耗（VWG）要滿足航天器有限資源的限制，且材料需耐受空間真空、輻射、溫度交變等環(huán)境；人機交互與舒適性，系統(tǒng)運行噪音要低，控制邏輯要簡單，便于操作和維護，且不應向艙內引入新的污染物或不適環(huán)境參數。**解析思路：*從功能、環(huán)境適應性、可靠性、資源、物理限制、人機工程等多個維度，全面論述設計時需權衡的關鍵技術和因素。3.微重力環(huán)境對傳統(tǒng)重力沉降和慣性分離式空氣凈化設備的工作機理帶來了顯著影響。在重力沉降中，顆粒物依靠與氣體密度差產生的重力（或浮力）向下運動。在微重力下，這一驅動力幾乎消失，導致：自然沉降速度極慢，沉降效率大大降低，顆粒長時間懸浮在氣流中；沉降設備（如沉降室）的尺寸需要大幅增加才能達到要求的分離效率；依靠沉降原理的過濾器（如重力式預過濾器）的捕集效率對亞微米顆粒顯著下降，且可能因顆粒長期懸浮而增加氣流阻力。在慣性分離中，顆粒物在氣流繞過障礙物（如擋板、百葉窗）時，因慣性力大于氣體的拖曳力而偏離主流線被收集。微重力下，顆粒物的慣性力相對于氣體動量和阻力的影響比例可能發(fā)生變化，雖然分離效率理論上可能提高（因為重力干擾減弱），但設備設計需要更精確地控制氣流和障礙物幾何參數，以克服顆粒懸浮和碰撞隨機性的增加?？傮w而言，微重力使得依賴重力或慣性力的分離過程變得困難，效率降低或需要根本性的設計變革。**解析思路：*分別闡述微重力對重力沉降和慣性分離原理的影響機制，分析其對效率、設備尺寸、設計要求等方面的具體改變，并點出兩者可能的差異。4.未來載人航天任務（如深空探測載人飛船、月球/火星基地）對艙內空氣凈化技術可能提出的新需求和發(fā)展方向包括：更高的污染物去除效率和更寬的去除譜寬，以應對更復雜、更高濃度的內部污染源或更嚴格的外部環(huán)境（如火星大氣）；極端環(huán)境適應性，如耐受更大范圍的溫度變化、更強的空間輻射、更惡劣的真空環(huán)境；顯著的節(jié)能和節(jié)水技術，因為深空任務能源和水資源限制更為嚴苛；高度智能化的監(jiān)測與控制，實現污染物濃度的實時、精確監(jiān)測，智能調節(jié)凈化負荷，具備故障預測與診斷能力；資源再生能力的極大增強，不僅限于水，也包括對吸附劑、催化劑等凈化介質的高效再生；新型高效凈化技術的應用，如基于納米材料、光催化、電化學等前沿技術的凈化裝置；與生命保障系統(tǒng)其他環(huán)節(jié)（如二氧化碳、水、廢物處理）更緊密的集成與協(xié)同優(yōu)化；以及考慮心理舒適度，開發(fā)低噪音、無異味、甚至具有空氣“凈化”功能的系統(tǒng)。**解析思路：*基于未來任務背景（深空、長期、極端環(huán)境），從性能、節(jié)能、智能、再生、技術、集成、舒適度等多個方面，展望對艙內空氣凈化提出的新要求和可能的發(fā)展方向。四、方案設計題選擇技術組合：建議采用高效HEPA（或ULPA）過濾器和固體吸附劑（如活性炭）組合的空氣凈化子系統(tǒng)。選擇理由：1.高效去除顆粒物：HEPA（高效空氣過濾器）或ULPA（超高效空氣過濾器）能夠高效捕集空氣中的各種尺寸顆粒物，包括人體產生的塵埃和部分氣溶膠，滿足乘員艙對潔凈度的要求。ULPA效率更高，對于需要極高潔凈度的區(qū)域（如醫(yī)療艙、實驗艙）更優(yōu)。2.有效去除VOCs：固體吸附劑（如顆?；钚蕴浚┚哂芯薮蟮谋缺砻娣e和豐富的孔隙結構，能夠有效地吸附空氣中的揮發(fā)性有機化合物（VOCs），包括宇航服、設備等可能釋放的多種有機氣體。選擇顆粒狀吸附劑比纖維狀活性炭更易于與氣流均勻接觸和更換。3.系統(tǒng)相對成熟可靠：HEPA/ULPA過濾和活性炭吸附都是成熟、可靠、應用廣泛的技術，在空間環(huán)境下已有應用基礎和經驗。4.考慮資源限制：*體積與重量：HEPA/ULPA濾器和顆粒活性炭吸附器可以通