2025年大學(xué)《空間科學(xué)與技術(shù)》專業(yè)題庫(kù)——空間材料與工程應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)字母填在題干后的括號(hào)內(nèi)）1.下列哪一項(xiàng)不屬于空間環(huán)境對(duì)材料的主要物理效應(yīng)？A.真空引起的材料出氣B.高能粒子輻射導(dǎo)致的材料損傷C.溫度劇烈變化引起的熱應(yīng)力D.地球磁場(chǎng)屏蔽下的靜電磁場(chǎng)影響2.在空間輻射環(huán)境下，材料發(fā)生電離和原子位移的主要原因是？A.溫度循環(huán)引起的相變B.真空環(huán)境下的材料濺射C.高能粒子（如質(zhì)子、電子、重離子）的轟擊D.微流星體的高速撞擊3.對(duì)于航天器表面需要反射太陽(yáng)輻射以保持較低溫度的應(yīng)用，最適合選用哪種類型的材料特性？A.高發(fā)射率和高吸收率B.低發(fā)射率和低吸收率C.高發(fā)射率和低吸收率D.低發(fā)射率和高吸收率4.碳/碳復(fù)合材料在航天領(lǐng)域應(yīng)用的主要優(yōu)勢(shì)之一是？A.在常溫下具有優(yōu)異的力學(xué)性能B.具有極高的比強(qiáng)度和比模量，且在極高溫度下穩(wěn)定C.對(duì)輻射不敏感，耐腐蝕性好D.制造成本相對(duì)低廉，工藝簡(jiǎn)單5.為了防止空間環(huán)境中金屬結(jié)構(gòu)件發(fā)生嚴(yán)重的原子濺射效應(yīng)，通常采取的措施是？A.選擇原子序數(shù)低的材料B.在材料表面沉積一層高原子序數(shù)的薄膜C.增加材料的熱導(dǎo)率D.減小材料表面的粗糙度6.熱控涂層通過改變其表面哪個(gè)特性來(lái)調(diào)節(jié)航天器的熱量平衡？A.熱導(dǎo)率B.密度C.發(fā)射率（或吸收率）D.熱膨脹系數(shù)7.載人飛船返回大氣層過程中，防熱系統(tǒng)需要承受極高的溫度和熱負(fù)荷，其工作原理主要是？A.通過材料相變吸收大量熱量B.利用材料的高反射率將熱量反射掉C.使材料在高溫下發(fā)生升華帶走熱量D.將熱量通過導(dǎo)熱方式傳遞到航天器主體8.下列哪種材料最適合用于制造需要承受頻繁溫度循環(huán)的航天器結(jié)構(gòu)件？A.熱膨脹系數(shù)大的材料B.熱導(dǎo)率極低的絕緣材料C.具有良好抗熱疲勞性能的材料D.對(duì)輻射損傷極其敏感的材料9.空間應(yīng)用中，輕質(zhì)高強(qiáng)復(fù)合材料（如碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料）相比金屬的主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在？A.成本更低B.易于進(jìn)行常規(guī)機(jī)械加工C.在相同載荷下可顯著減輕結(jié)構(gòu)重量D.具有更好的耐腐蝕性10.評(píng)估材料在空間環(huán)境長(zhǎng)期服役性能的關(guān)鍵方法之一是？A.室溫下的拉伸試驗(yàn)B.真空環(huán)境下的出氣測(cè)試C.模擬空間輻射環(huán)境的地面輻照試驗(yàn)D.模擬空間溫度循環(huán)的濕熱試驗(yàn)二、填空題（每空1分，共15分。請(qǐng)將答案填在題干橫線上）1.空間環(huán)境的主要物理因素包括真空、______、輻射、溫度劇變和微流星體撞擊。2.材料在空間真空環(huán)境下可能出現(xiàn)的物理現(xiàn)象包括出氣、吸氣、______和材料升華。3.空間輻射對(duì)材料的損傷主要是通過高能粒子轟擊引起材料的______和鍵斷裂。4.為了有效控制航天器溫度，常采用被動(dòng)式熱控（如輻射式熱控）和______熱控技術(shù)。5.熱控涂層根據(jù)其工作原理，可分為吸熱涂層和______涂層。6.防熱材料需要具備高熔點(diǎn)、高比熱容、低熱導(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù)和______等特性。7.輕質(zhì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料在航天領(lǐng)域的主要應(yīng)用目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重，以提高航天器的______和有效載荷比。8.復(fù)合材料是由兩種或兩種以上物理化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)組成的，其中起增強(qiáng)作用的相稱為______。9.材料在空間環(huán)境下發(fā)生性能退化或失效的過程，通常被稱為______。10.空間材料的地面模擬試驗(yàn)方法主要包括真空暴露、輻照、______和原子濺射等。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述空間真空環(huán)境對(duì)材料可能產(chǎn)生的物理影響。2.解釋什么是材料的輻射損傷，并列舉至少兩種常見的輻射損傷類型。3.簡(jiǎn)述熱控涂層的工作原理及其在航天器中的應(yīng)用。4.為什么碳/碳復(fù)合材料特別適用于制造航天器再入防熱結(jié)構(gòu)？四、論述題（每題10分，共30分）1.結(jié)合具體材料實(shí)例，論述在選擇航天器結(jié)構(gòu)材料時(shí)需要考慮哪些主要因素？2.試述空間環(huán)境對(duì)材料性能的主要影響機(jī)制，并分析這些影響機(jī)制如何導(dǎo)致材料在空間應(yīng)用中的失效。3.以某一種具體的航天器部件（如太陽(yáng)能電池陣、天線或儲(chǔ)箱）為例，分析其材料選擇所面臨的挑戰(zhàn)，并說(shuō)明選擇特定材料的原因。試卷答案一、選擇題1.D2.C3.B4.B5.B6.C7.A8.C9.C10.C二、填空題1.溫度劇變2.氣化（或蒸發(fā)）3.離子化4.主動(dòng)式（或主動(dòng)）5.反射6.耐高溫氧化（或抗燒蝕）7.推進(jìn)效率8.增強(qiáng)體（或增強(qiáng)相）9.老化（或空間老化）10.溫度循環(huán)三、簡(jiǎn)答題1.解析思路：真空環(huán)境的主要特點(diǎn)是沒有或極低氣壓?；诖颂攸c(diǎn)，分析其對(duì)材料可能產(chǎn)生的物理效應(yīng)。主要包括：1）出氣：材料內(nèi)部?jī)?chǔ)存的氣體在真空下釋放出來(lái)；2）吸氣：材料表面吸附環(huán)境中的氣體（如殘余氣體）；3）氣化/升華：材料表面或近表面物質(zhì)直接轉(zhuǎn)變成氣體；4）材料成分變化：可能發(fā)生濺射或吸氣導(dǎo)致的成分改變；5）表面電荷積累：在空間粒子作用下，材料表面可能積累靜電荷，導(dǎo)致吸附或放電現(xiàn)象。*答案要點(diǎn)：真空導(dǎo)致材料出氣、吸氣、氣化（或升華）、表面成分變化（如濺射）、表面電荷積累等物理效應(yīng)。2.解析思路：先定義輻射損傷。輻射損傷是指材料在高能粒子（如宇宙射線、粒子束）輻照下，其微觀結(jié)構(gòu)（原子、分子）和宏觀性能（物理、化學(xué)、力學(xué)）發(fā)生改變的現(xiàn)象。然后列舉具體類型，結(jié)合空間環(huán)境特點(diǎn)。常見的類型包括：1）物理?yè)p傷：如原子位移、空位、間隙原子等缺陷的產(chǎn)生，晶格畸變；2）化學(xué)損傷：化學(xué)鍵斷裂、分子結(jié)構(gòu)變化、化學(xué)成分改變等。*答案要點(diǎn)：輻射損傷是指高能粒子輻照導(dǎo)致材料微觀結(jié)構(gòu)（缺陷產(chǎn)生）和宏觀性能（性能改變）的破壞。常見類型有物理?yè)p傷（原子位移、缺陷產(chǎn)生）和化學(xué)損傷（鍵斷裂、成分改變）。3.解析思路：解釋熱控涂層的工作原理，核心在于調(diào)節(jié)熱量輻射。熱控涂層通過改變其表面的發(fā)射率（E）來(lái)控制熱量傳遞。吸收率（A）與發(fā)射率在能量守恒下通常接近（A=1-E，理想黑體A=1,E=1）。涂層通過吸收太陽(yáng)輻射（增溫）或發(fā)射自身紅外輻射（降溫）來(lái)管理航天器溫度。被動(dòng)式熱控主要依賴涂層發(fā)射紅外輻射散熱。應(yīng)用上，低發(fā)射率涂層用于反射太陽(yáng)輻射、保持高溫，高發(fā)射率涂層用于向空間發(fā)射熱量、保持低溫。*答案要點(diǎn)：熱控涂層通過改變表面發(fā)射率來(lái)調(diào)節(jié)熱量輻射。高發(fā)射率涂層用于散熱（向空間發(fā)射紅外輻射），低發(fā)射率涂層用于保溫（反射太陽(yáng)輻射或減少紅外輻射散失）。4.解析思路：分析碳/碳復(fù)合材料為何適合再入防熱。再入過程特點(diǎn)是高焓流密度和極短時(shí)間，材料需承受極高溫度而不發(fā)生熔化、降解或結(jié)構(gòu)破壞。C/C復(fù)合材料優(yōu)勢(shì)在于：1）高熔點(diǎn)（碳本身熔點(diǎn)極高）；2）低熱膨脹系數(shù)，能承受劇烈的溫度梯度而不開裂；3）高比熱容和良好導(dǎo)熱性，能吸收大量熱量；4）低導(dǎo)熱性有助于在熱流密度峰值到來(lái)時(shí)保持前緣較低溫度；5）質(zhì)量輕，符合航天器減重要求。這些特性使其特別適合作為防熱材料的基體。*答案要點(diǎn)：C/C復(fù)合材料具有高熔點(diǎn)、低熱膨脹系數(shù)、高比熱容和良好導(dǎo)熱性，能在極高溫度和溫度梯度的再入環(huán)境中保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定并有效吸收熱量，且質(zhì)量輕。四、論述題1.解析思路：論述題要求結(jié)合實(shí)例，體現(xiàn)綜合分析能力。選擇航天器結(jié)構(gòu)材料需考慮因素眾多，應(yīng)系統(tǒng)闡述。主要因素包括：1）力學(xué)性能：滿足結(jié)構(gòu)承載、抗疲勞、抗損傷等要求（如強(qiáng)度、模量、韌性）；2）環(huán)境適應(yīng)性：抵抗空間環(huán)境（輻射、溫度、真空、原子濺射等）的長(zhǎng)期作用，性能穩(wěn)定；3）高溫性能：對(duì)于高溫部件，需考慮高溫強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性；4）輕質(zhì)高強(qiáng)：航天器對(duì)重量敏感，要求材料密度低、強(qiáng)度高（比強(qiáng)度、比模量大）；5）制造工藝性與成本：材料需可加工成所需形狀，且成本在可接受范圍內(nèi)；6）可靠性與壽命：材料需保證長(zhǎng)期服役的可靠性，壽命滿足任務(wù)要求。結(jié)合實(shí)例，如衛(wèi)星結(jié)構(gòu)常用鋁合金、鈦合金、復(fù)合材料；高溫部件用高溫合金；考慮減重要用先進(jìn)復(fù)合材料等。*答案要點(diǎn)：需從力學(xué)性能、環(huán)境適應(yīng)性、高溫性能、輕質(zhì)高強(qiáng)、制造工藝與成本、可靠性與壽命等多個(gè)維度論述選擇因素，并結(jié)合具體材料（如鋁合金、鈦合金、復(fù)合材料、高溫合金）的應(yīng)用實(shí)例說(shuō)明。2.解析思路：論述空間環(huán)境對(duì)材料影響的機(jī)制及其導(dǎo)致的失效。應(yīng)分點(diǎn)闡述每種環(huán)境因素的作用機(jī)制及其后果。1）真空：出氣導(dǎo)致材料性能劣化（如密封性下降）；吸氣可能改變表面成分或產(chǎn)生腐蝕；濺射導(dǎo)致材料損失和成分變化；表面電荷積累可能引發(fā)放電損傷。2）輻射：高能粒子轟擊導(dǎo)致原子位移、產(chǎn)生缺陷，破壞晶格結(jié)構(gòu)，引起材料embrittlement（脆化）、密度變化、顏色改變等。3）溫度劇變：反復(fù)的熱脹冷縮導(dǎo)致熱疲勞裂紋產(chǎn)生與擴(kuò)展，使材料或結(jié)構(gòu)斷裂。4）微流星體撞擊：高速撞擊產(chǎn)生沖擊波，導(dǎo)致材料表面熔化、汽化、犁削，或產(chǎn)生微裂紋，累積損傷使材料失效。綜合這些機(jī)制，材料可能因性能劣化、結(jié)構(gòu)損傷、裂紋擴(kuò)展等原因最終失效。*答案要點(diǎn)：需分別論述真空、輻射、溫度劇變、微流星體撞擊等空間環(huán)境因素的作用機(jī)制（如出氣、吸氣、濺射、輻射損傷、熱疲勞、沖擊損傷），以及這些機(jī)制如何具體導(dǎo)致材料的性能下降或結(jié)構(gòu)破壞，最終引發(fā)失效。3.解析思路：選擇具體航天器部件進(jìn)行案例分析，展示材料選擇的分析過程。以太陽(yáng)能電池陣為例：挑戰(zhàn)在于需要在真空、空間輻射、溫度循環(huán)、紫外線輻照等苛刻環(huán)境下長(zhǎng)期可靠工作，同時(shí)要求效率高、重量輕、壽命長(zhǎng)。材料選擇需考慮：1）光電轉(zhuǎn)換效率高（對(duì)材料本身要求）；2）耐輻射性能好（輻射會(huì)衰減效率）；3）耐溫度循環(huán)性能（結(jié)溫變化大）；4）輕質(zhì)化（電池板本身和支撐結(jié)構(gòu)）；5）耐紫外線輻照（長(zhǎng)期工作老化）；6）封裝材料需密封性好、耐環(huán)境。常用材料包括高純度