2025年大學(xué)《空間科學(xué)與技術(shù)》專(zhuān)業(yè)題庫(kù)——空間探測(cè)器的熱控技術(shù)考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、填空題（每空2分，共20分）1.空間環(huán)境中，探測(cè)器主要受______、______和______三種熱輻射源的影響。2.被動(dòng)式熱控技術(shù)中，利用材料低發(fā)射率來(lái)反射空間熱輻射的主要方法是______。3.熱管是一種重要的空間被動(dòng)式熱控元件，其核心工作原理是基于______的相變傳熱。4.多層隔熱材料（MLI）通過(guò)多層薄膜和間隔層結(jié)構(gòu)，主要利用______來(lái)減少熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流。5.主動(dòng)式熱控系統(tǒng)中，用于將熱量從熱源轉(zhuǎn)移到冷源的裝置通常是______。6.在空間環(huán)境下，為了將熱量排入深空，被動(dòng)式散熱通常采用______的設(shè)計(jì)。7.熱控涂層的選擇主要依據(jù)其太陽(yáng)吸收率（α）和紅外發(fā)射率（ε）的值，白膜涂層的典型特點(diǎn)是______高，______低。8.空間器在進(jìn)行熱控設(shè)計(jì)時(shí)，必須確保所有儀器和部件工作在它們的______范圍內(nèi)。9.地面熱真空測(cè)試中，模擬空間低溫環(huán)境通常采用______和______相結(jié)合的方法。10.相變材料（PCM）熱控系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)在于能夠有效吸收或釋放熱量，從而______溫度的快速變化。二、簡(jiǎn)答題（每題5分，共30分）1.簡(jiǎn)述太陽(yáng)輻照對(duì)空間探測(cè)器產(chǎn)生的熱效應(yīng)及其特點(diǎn)。2.簡(jiǎn)要說(shuō)明熱沉在空間探測(cè)器熱控中的作用及其局限性。3.與被動(dòng)式熱控相比，主動(dòng)式熱控技術(shù)有哪些主要優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)？4.解釋什么是熱控系統(tǒng)的熱平衡狀態(tài)。影響空間器達(dá)到熱平衡的主要因素有哪些？5.為什么多層隔熱材料（MLI）在空間應(yīng)用中如此有效？其使用時(shí)需要注意哪些問(wèn)題？6.簡(jiǎn)述熱管作為空間熱控元件的工作過(guò)程及其主要優(yōu)點(diǎn)。三、計(jì)算題（共20分）1.（10分）某航天器表面涂有太陽(yáng)吸收率α=0.3、紅外發(fā)射率ε=0.8的涂層。已知太陽(yáng)常數(shù)S=1361W/m2，該表面直接面向太陽(yáng)，不考慮其他熱源和散熱環(huán)境。請(qǐng)計(jì)算該表面接收到的太陽(yáng)輻射功率密度以及其作為輻射器向深空散發(fā)的熱流密度（假設(shè)深空有效溫度T_surr≈3K）。請(qǐng)說(shuō)明計(jì)算中做的主要簡(jiǎn)化假設(shè)。2.（10分）一個(gè)體積為0.01m3的電子部件，其功耗為50W。設(shè)計(jì)要求該部件的工作溫度T_op范圍為40°C至60°C。假設(shè)部件表面涂有發(fā)射率ε=0.9的黑膜，環(huán)境有效溫度T_surr=3K，且部件通過(guò)自然對(duì)流和自身紅外輻射散熱。請(qǐng)定性分析該部件是否滿(mǎn)足工作溫度要求？（提示：可考慮穩(wěn)態(tài)情況下的熱量平衡，無(wú)需進(jìn)行精確計(jì)算，說(shuō)明主要散熱方式和熱量來(lái)源，并討論溫度是否可能過(guò)高或過(guò)低）四、設(shè)計(jì)與分析題（共30分）1.（15分）假設(shè)設(shè)計(jì)一個(gè)需要長(zhǎng)時(shí)間停留在地球同步軌道的衛(wèi)星，衛(wèi)星上有一臺(tái)工作溫度需精確控制在-10°C至+30°C的敏感儀器。請(qǐng)簡(jiǎn)要提出一個(gè)可行的熱控方案，說(shuō)明主要采用哪些熱控技術(shù)（被動(dòng)式和/或主動(dòng)式），并簡(jiǎn)述這些技術(shù)如何協(xié)同工作以實(shí)現(xiàn)溫度控制目標(biāo)。對(duì)于所選用的關(guān)鍵技術(shù)，說(shuō)明其需要考慮的主要設(shè)計(jì)參數(shù)。2.（15分）分析將地球上的常規(guī)熱沉設(shè)計(jì)直接應(yīng)用于深空探測(cè)任務(wù)的潛在問(wèn)題。討論至少三種可能遇到的主要挑戰(zhàn)，并針對(duì)其中一種挑戰(zhàn)，提出可能的解決方案或改進(jìn)思路。五、論述題（25分）結(jié)合你所了解的某個(gè)具體空間探測(cè)器（如月球探測(cè)器、火星車(chē)、某顆具體的深空探測(cè)器或地球觀測(cè)衛(wèi)星），論述其熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)所面臨的特殊挑戰(zhàn)以及所采用的主要熱控技術(shù)和策略。分析這些技術(shù)選擇背后的原因，并討論該熱控系統(tǒng)對(duì)其整體任務(wù)成功的重要性。試卷答案一、填空題（每空2分，共20分）1.太陽(yáng)輻射地球反照2.多層隔熱材料（MLI）3.蒸汽4.熱輻射5.熱泵6.箱式散熱器（或：外部散熱器）7.太陽(yáng)吸收率α紅外發(fā)射率ε8.允許9.液氮冷卻氮?dú)庋h(huán)冷卻（或其他制冷機(jī)）10.緩沖二、簡(jiǎn)答題（每題5分，共30分）1.解析思路：首先說(shuō)明太陽(yáng)輻照是空間中最主要的熱源。然后解釋其能量分布（主要集中在可見(jiàn)光和近紅外波段），導(dǎo)致探測(cè)器表面溫度升高。接著指出其強(qiáng)度隨太陽(yáng)活動(dòng)、探測(cè)器姿態(tài)和日地距離變化。最后強(qiáng)調(diào)其方向性，使得探測(cè)器向陽(yáng)面和背陽(yáng)面溫差巨大。2.解析思路：說(shuō)明熱沉是吸收多余熱量并儲(chǔ)存在自身中，通過(guò)熱傳導(dǎo)將熱量傳遞到探測(cè)器其他部位或最終散熱裝置的被動(dòng)部件。其作用是穩(wěn)定溫度、防止過(guò)熱。局限性在于：熱沉自身需要散熱，增加了系統(tǒng)復(fù)雜性和重量；熱沉容量有限，對(duì)于功率大或熱負(fù)荷變化劇烈的探測(cè)器可能無(wú)法滿(mǎn)足要求；熱沉溫度可能不滿(mǎn)足某些敏感器件的低溫需求。3.解析思路：優(yōu)勢(shì)：可控性好（可精確調(diào)節(jié)溫度）、適應(yīng)性強(qiáng)（可處理大幅度的熱負(fù)荷變化）、可實(shí)現(xiàn)被動(dòng)方式無(wú)法達(dá)到的溫度（如向深空散熱）。劣勢(shì)：系統(tǒng)復(fù)雜、有活動(dòng)部件（可能增加故障點(diǎn)）、功耗大（主動(dòng)系統(tǒng)本身消耗能量）、成本高。4.解析思路：熱平衡狀態(tài)是指空間器表面吸收的總熱量等于向外部空間散發(fā)的總熱量，系統(tǒng)內(nèi)部各部分溫度不再隨時(shí)間變化。影響因素主要有：太陽(yáng)輻照強(qiáng)度和幾何位置、地球反照和紅外輻射環(huán)境、地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)周期、內(nèi)部發(fā)熱功率、熱控系統(tǒng)的性能（如涂層發(fā)射率、散熱器效率、熱管性能等）、空間器的幾何形狀和表面特性。5.解析思路：效果好是因?yàn)镸LI利用低發(fā)射率薄膜層間形成的極低熱傳導(dǎo)和對(duì)流間隙，極大地降低了通過(guò)輻射和對(duì)流的熱量傳遞。MLI非常輕且結(jié)構(gòu)緊湊。需要注意的問(wèn)題包括：真空下的放氣（outgassing）可能污染光學(xué)表面、對(duì)微小的撞擊和空間碎片敏感可能造成破壞、安裝和展開(kāi)過(guò)程中易損壞、低溫下可能發(fā)生冷焊等。6.解析思路：工作過(guò)程：利用工作介質(zhì)（如液態(tài)金屬或工質(zhì)）在蒸發(fā)器和冷凝器之間的相變（蒸發(fā)吸熱、冷凝放熱）和流體流動(dòng)，將熱量從熱源高效地傳遞到冷源。優(yōu)點(diǎn)：傳熱效率高（相變傳熱）、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高（無(wú)活動(dòng)部件）、可逆性好（易于實(shí)現(xiàn)熱量轉(zhuǎn)移和儲(chǔ)存）。三、計(jì)算題（共20分）1.解析思路：*太陽(yáng)輻射功率密度計(jì)算：P_sun=α*S=0.3*1361W/m2=408.3W/m2。假設(shè)為漫射面，則接收功率密度為408.3W/m2。*輻射器熱流密度計(jì)算：P_rad=ε*σ*T?_surr=0.8*5.67e-8W/(m2·K?)*(3K)?≈0.0004W/m2。*假設(shè)：忽略地球反照；忽略對(duì)流散熱；表面溫度等于環(huán)境溫度（簡(jiǎn)化模型）；太陽(yáng)輻射是均勻入射。2.解析思路：*散熱方式：主要依靠紅外輻射散熱（ε=0.9，輻射能力強(qiáng)）。可能存在微弱的自然對(duì)流，但遠(yuǎn)小于輻射散熱。*熱量平衡：部件發(fā)熱50W，主要通過(guò)輻射散失。散熱量Q_rad=ε*σ*A*(T_surface?-T_surr?)。要滿(mǎn)足溫度在40-60°C，需要計(jì)算表面溫度T_surface。由于T_surr=3K遠(yuǎn)小于T_surface（以60°C=333K計(jì)），可近似Q_rad≈ε*σ*A*T_surface3。*定性分析：50W=0.9*5.67e-8*A*(333)3。估算所需表面積A≈0.056m2。若部件表面積遠(yuǎn)大于此值，且有效發(fā)射率接近0.9，則輻射散熱能力強(qiáng)，溫度可能偏低。若表面積非常小或發(fā)射率被遮蔽，則散熱不足，溫度可能過(guò)高。題目未給表面積，無(wú)法精確判斷，但可肯定的是，若設(shè)計(jì)不當(dāng)，部件溫度可能超出要求范圍，特別是偏低的可能性更大。四、設(shè)計(jì)與分析題（共30分）1.解析思路：*方案：采用被動(dòng)式為主，主動(dòng)式輔助的混合熱控方案。*技術(shù)：主體使用多層隔熱材料（MLI）包裹衛(wèi)星本體和儀器，以減少環(huán)境熱輻射和內(nèi)部熱量散失。儀器殼體設(shè)計(jì)有散熱面，表面涂高發(fā)射率黑膜，作為主要輻射散熱器。在儀器功率變化較大或MLI無(wú)法滿(mǎn)足精度要求時(shí)，采用小型電加熱器進(jìn)行主動(dòng)加熱補(bǔ)償。*協(xié)同工作：MLI負(fù)責(zé)長(zhǎng)期穩(wěn)定保溫，白天反射太陽(yáng)輻射，夜間減少熱量散失。輻射散熱器（黑膜面朝向深空或冷方向）根據(jù)儀器發(fā)熱和MLI的調(diào)節(jié)能力，向深空散失多余熱量。電加熱器在低溫時(shí)段或功率低谷時(shí)提供補(bǔ)償熱量，確保儀器不低于下限溫度。*設(shè)計(jì)參數(shù)：MLI的層數(shù)和材料（決定隔熱性能）；輻射器表面積和發(fā)射率（決定散熱能力）；加熱器的功率和控溫精度；儀器和環(huán)境的導(dǎo)熱熱阻。2.解析思路：*挑戰(zhàn)1（溫差大）：地球同步軌道（約35786公里）與地球表面或低軌道溫差巨大（可達(dá)200°C以上），對(duì)熱控系統(tǒng)的寬溫工作范圍和溫度劇烈變化適應(yīng)性提出極高要求。*挑戰(zhàn)2（持續(xù)日曬/陰影）：地球同步軌道位于地球靜止平面，衛(wèi)星相對(duì)于太陽(yáng)和地球的角運(yùn)動(dòng)較小，導(dǎo)致其長(zhǎng)期處于地球陰影或持續(xù)日曬中，熱負(fù)荷變化劇烈且周期長(zhǎng)，被動(dòng)式熱控設(shè)計(jì)難度大。*挑戰(zhàn)3（冷疑問(wèn)題）：在從陰影區(qū)進(jìn)入日曬區(qū)或經(jīng)歷溫度驟降時(shí)，衛(wèi)星內(nèi)部濕氣可能在冷表面凝結(jié)（冷疑），腐蝕或污染儀器和結(jié)構(gòu)。*解決方案（針對(duì)挑戰(zhàn)1）：選用寬溫域材料（如SiC、陶瓷）、采用高性能熱管和電加熱器、設(shè)計(jì)多級(jí)熱控子系統(tǒng)（如外層散熱、內(nèi)層控溫）、加強(qiáng)熱分析仿真，確保系統(tǒng)在極端溫差下可靠工作。2.解析思路：*挑戰(zhàn)（選其一深入）：以“溫差巨大”為例。常規(guī)熱沉設(shè)計(jì)通常通過(guò)將熱量傳導(dǎo)至衛(wèi)星主體或直接排入外空間（如通過(guò)散熱器）。但在深空探測(cè)任務(wù)中，探測(cè)器可能需要在極熱（如近距離飛掠太陽(yáng)系行星）和極冷（如飛掠冰封衛(wèi)星或在行星陰影中）的環(huán)境下工作，導(dǎo)致熱沉需要承受數(shù)百甚至上千攝氏度的溫差變化。*問(wèn)題：常規(guī)熱沉材料（如鋁、銅）在如此大的溫度循環(huán)下可能發(fā)生熱疲勞、蠕變、強(qiáng)度下降甚至結(jié)構(gòu)破壞。熱沉與衛(wèi)星其他部分的連接件也可能因熱脹冷縮不匹配而失效。直接外露的散熱器在極端低溫下可能結(jié)冰或性能下降。*解決方案/思路：*材料選擇：使用耐高低溫循環(huán)的材料，如碳化硅（SiC）、碳纖維復(fù)合材料等。*結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：采用柔性連接、增加結(jié)構(gòu)冗余、優(yōu)化熱沉形狀以減小熱應(yīng)力。*熱控集成：將熱沉與散熱器、加熱器等集成設(shè)計(jì)，形成多級(jí)熱控系統(tǒng)，提高整體適應(yīng)性和效率。例如，使用可調(diào)傾角熱控表面（ATCS）或智能熱控系統(tǒng)，根據(jù)需求調(diào)整散熱方向和強(qiáng)度。*輔助措施：在低溫階段使用電加熱器預(yù)warmup熱沉，防止其結(jié)冰或性能下降。五、論述題（25分）解析思路：1.選擇探測(cè)器與背景：選擇一個(gè)具有代表性且熱控設(shè)計(jì)較為復(fù)雜的探測(cè)器，如“好奇號(hào)”火星車(chē)。明確其任務(wù)目標(biāo)（如登陸火星、移動(dòng)探測(cè)、進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)）和環(huán)境（如火星表面溫差大、沙塵暴影響、稀薄大氣）。2.挑戰(zhàn)分析：分析火星表面的極端溫差（白天可達(dá)20°C，夜晚可降至-100°C）、沙塵可能覆蓋散熱器或加熱器影響其性能、稀薄大氣導(dǎo)致自然對(duì)流極弱，主要依靠輻射散熱、火星稀薄大氣和宇宙輻射導(dǎo)致夜間散熱困難、移動(dòng)過(guò)程中姿態(tài)和熱環(huán)境變化快。3.主要熱控技術(shù)：*被動(dòng)式：大量使用MLI對(duì)儀器和結(jié)構(gòu)進(jìn)行包裹，以應(yīng)對(duì)巨大的晝夜溫差。設(shè)計(jì)有大型拋物面狀散熱器，表面涂高發(fā)射率涂層，將熱量輻射到深空。外殼和關(guān)鍵部件使用耐低溫材料。*主動(dòng)式：使用電加熱器進(jìn)行被動(dòng)加熱補(bǔ)償，確保關(guān)鍵部件在夜間不會(huì)過(guò)冷。熱管用于將不同部件的熱量傳遞到散熱器?？赡苓€包括防冷凝