2025年大學(xué)《空間科學(xué)與技術(shù)》專業(yè)題庫——星際飛行：未來的太空旅行考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項字母填在題后括號內(nèi)）1.對于星際探測器進行星際航行的經(jīng)典轉(zhuǎn)移軌道，下列哪一項描述是準確的？A.總能量始終為正，且機械能守恒。B.在整個轉(zhuǎn)移過程中，相對發(fā)射中心天體的速度始終增大。C.可以利用目標天體的引力彈弓效應(yīng)來增加探測器相對于太陽的速度。D.轉(zhuǎn)移時間與探測器和發(fā)射中心天體之間的距離成正比。2.在星際旅行中，克服巨大能量需求的主要挑戰(zhàn)之一源于相對論效應(yīng)。以下哪項現(xiàn)象最能體現(xiàn)高速運動中的相對論時間膨脹效應(yīng)，并對其在星際航行生命保障系統(tǒng)設(shè)計中的影響進行簡要說明。3.對比傳統(tǒng)化學(xué)火箭，核聚變推進技術(shù)在理論上具有顯著優(yōu)勢。請列舉其至少兩個主要優(yōu)勢，并分析其面臨的主要工程挑戰(zhàn)。4.長期星際任務(wù)對航天器的輻射防護提出了極高要求。請簡述航天器可能面臨的主要輻射環(huán)境類型及其特點，并說明一種主要的輻射防護策略及其原理。5.實現(xiàn)星際通信面臨著巨大的挑戰(zhàn)，如信號延遲和信噪比下降。請闡述深空網(wǎng)絡(luò)（DSN）的基本工作原理，并探討為提高星際通信效率可能采用的技術(shù)手段。6.鑒于星際飛行的極端長期性和高成本，自主化水平成為任務(wù)成功的關(guān)鍵。請說明提高航天器自主導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制（GNC）能力的必要性，并列舉至少三種關(guān)鍵的自主技術(shù)。7.人類進行星際旅行是否需要攜帶完整的生命保障系統(tǒng)？請闡述理由，并探討長期閉環(huán)生命保障技術(shù)需要解決的關(guān)鍵科學(xué)難題。8.除了技術(shù)挑戰(zhàn)，星際旅行還涉及復(fù)雜的倫理和社會問題。請選擇其中一個具體的倫理或社會問題進行闡述，并分析其潛在的挑戰(zhàn)和可能的應(yīng)對思考。9.當前人類航天活動主要集中在近地軌道和月球、火星等鄰近天體。請分析推動人類走向更遙遠星際空間的主要驅(qū)動力，并展望未來星際探索可能帶來的科學(xué)或技術(shù)突破。10.商業(yè)航天活動的興起對未來的星際探索可能產(chǎn)生哪些影響？請從降低成本、技術(shù)創(chuàng)新、公眾參與等角度進行分析。二、簡答題（每小題5分，共25分）11.簡述“引力彈弓”效應(yīng)的原理及其在星際探測器軌道設(shè)計中的應(yīng)用。12.解釋什么是星際航行的“光時延遲”問題，并簡要說明其對任務(wù)規(guī)劃和通信的影響。13.列舉并簡要說明實現(xiàn)星際飛行需要突破的至少三個關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域。14.為什么星際探測器通常需要攜帶冗余系統(tǒng)和故障自主重構(gòu)能力？15.簡述核熱推進技術(shù)的基本工作原理及其相較于傳統(tǒng)化學(xué)火箭的優(yōu)勢。三、論述題（每小題10分，共30分）16.隨著技術(shù)發(fā)展，人類探索星際空間的“時間尺度”正在縮短。請論述科技進步（如更先進的推進技術(shù)、人工智能等）如何影響人類星際旅行的可行性，并分析其中存在的機遇與挑戰(zhàn)。17.“星際移民”一直是科幻作品和部分科學(xué)家討論的話題。請從技術(shù)、資源、倫理等多個維度，對實現(xiàn)人類星際移民的可能性進行批判性分析。18.對比分析目前幾種有潛力的星際推進概念（如激光帆、核聚變推進、反物質(zhì)推進等），闡述它們各自的主要原理、潛在優(yōu)勢、面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)以及大致的成熟度。四、開放題（15分）19.展望未來20年星際航行領(lǐng)域可能出現(xiàn)的重大突破，并就其中一項你最感興趣的技術(shù)或方向，闡述其潛在影響以及可能需要解決的核心問題。試卷答案一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項字母填在題后括號內(nèi)）1.C2.D3.B4.C5.A6.B7.A8.D9.C10.B二、簡答題（每小題5分，共25分）11.引力彈弓效應(yīng)是指航天器利用行星（或其他天體）的引力場和相對速度，通過飛掠（而非進入軌道）來改變自身速度（主要是增加逃逸速度或針對特定方向的速度增量）。其原理在于航天器與行星接近時，受到行星引力作用，動能增加、引力勢能減少，總機械能近似守恒（忽略相對論效應(yīng)和非保守力），離開時速度相對于太陽系質(zhì)心增大。應(yīng)用上，它允許航天器在不消耗大量自身燃料的情況下，顯著提高對遙遠目標（如外行星、柯伊伯帶天體）的飛行速度，實現(xiàn)更快的星際探測。12.光時延遲是指由于光速有限，電磁信號（如無線電波）在星際探測器與地球（或任務(wù)控制中心）之間傳播所需的時間。探測器發(fā)送的信號到達地球需要時間t=d/c，其中d是距離，c是光速；地球的指令傳到探測器也需要相同的時間。這導(dǎo)致兩者之間的實時通信不可能實現(xiàn)，存在固有的時間滯后。光時延遲嚴重影響任務(wù)的實時控制、自主決策的響應(yīng)速度，并給任務(wù)規(guī)劃、導(dǎo)航定軌帶來復(fù)雜度。13.實現(xiàn)星際飛行需要突破的關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域包括：①高速推進技術(shù)，如核聚變、反物質(zhì)、激光帆等，以大幅縮短星際航行時間、降低燃料需求；②超長距離自主導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制（GNC），確保在深空復(fù)雜環(huán)境下精確自主地完成任務(wù)；③極端環(huán)境防護技術(shù)，如強輻射防護、微流星體防護，保障航天器和乘員安全；④長期、高效、可靠的生命保障系統(tǒng)（若載人），實現(xiàn)資源循環(huán)利用和長期維持。14.星際探測器任務(wù)周期長、距離遠，深空環(huán)境惡劣且與地面通信存在顯著延遲，人類無法實時干預(yù)。因此，必須攜帶冗余系統(tǒng)（備用設(shè)備、部件）以應(yīng)對潛在的故障或失效，提高任務(wù)可靠性。故障自主重構(gòu)能力則允許探測器在發(fā)生關(guān)鍵故障時，依靠自身計算和決策，自動切換到備用系統(tǒng)、調(diào)整任務(wù)計劃或改變運行模式，維持部分或全部核心功能，最大限度地延長任務(wù)壽命或完成既定目標。15.核熱推進技術(shù)利用核反應(yīng)（通常是核裂變）產(chǎn)生熱量，將工作介質(zhì)（如氦氣）加熱到極高溫度，然后通過熱交換器加熱推進劑（如氫氣），并將高溫高壓的推進劑加速后噴出產(chǎn)生推力。其優(yōu)勢在于比沖（單位質(zhì)量推進劑產(chǎn)生的推力變化量）遠高于化學(xué)火箭，可以顯著縮短深空探測器的飛行時間，降低發(fā)射質(zhì)量；能量密度高，燃料相對較少；響應(yīng)時間可以較快。三、論述題（每小題10分，共30分）16.科技進步正從多個方面影響人類星際旅行的可行性。①先進的推進技術(shù)，特別是核聚變、反物質(zhì)或激光帆等高比沖推進系統(tǒng)，能夠?qū)⑿请H航行時間從幾十年縮短至數(shù)年甚至更短，降低能耗和發(fā)射需求，使遠距離星際探索在經(jīng)濟和技術(shù)上更具可行性。②人工智能（AI）在自主導(dǎo)航、智能決策、故障診斷與重構(gòu)、復(fù)雜系統(tǒng)管理等方面的應(yīng)用，能夠大幅提升星際探測器的自主化水平，克服深空通信延遲帶來的挑戰(zhàn)，增強任務(wù)適應(yīng)性和成功率。③材料科學(xué)、生命科學(xué)、能源技術(shù)的突破，為開發(fā)更耐輻射、耐極端溫度、更輕強的航天器結(jié)構(gòu)，設(shè)計更可靠、高效的長期生命保障系統(tǒng)，以及提供穩(wěn)定可靠的太空能源（如高效太陽能、核電源）提供了支撐。然而，這些技術(shù)仍面臨巨大的科學(xué)和工程挑戰(zhàn)，如核聚變工程實現(xiàn)、反物質(zhì)生產(chǎn)與約束、極端環(huán)境防護的可靠性、長期生命維持的閉環(huán)效率等，機遇與挑戰(zhàn)并存。17.實現(xiàn)人類星際移民的可能性是一個極其復(fù)雜的問題，涉及多維度挑戰(zhàn)。①技術(shù)上：需要革命性的星際推進技術(shù)以實現(xiàn)人類可接受的時間尺度的旅行；需要能支持人類長期生存的、高度可靠且資源自給的閉環(huán)生命保障系統(tǒng)；需要應(yīng)對極端宇宙輻射、微流星體撞擊、心理適應(yīng)等問題的有效解決方案；還需要在目標地建立可持續(xù)的棲息地。②資源上：星際移民需要難以想象的巨大能源和物質(zhì)投入，如何獲取、運輸和利用星際或恒星際資源是核心問題。③倫理上：存在物種安全風(fēng)險（對地球和目標地生態(tài)）、資源分配不均、跨代際決策、文化沖突、人類身份認同等倫理困境。④生物進化上：長期太空旅行和不同環(huán)境可能導(dǎo)致基因變異，對人類長期生存構(gòu)成未知風(fēng)險。綜上，盡管科技進步可能提升可行性，但在可預(yù)見的未來，人類星際移民仍面臨巨大的、甚至是難以克服的挑戰(zhàn)。18.對比幾種有潛力的星際推進概念：①激光帆（LaserSail）：利用地面或空間大型激光陣列照射輕質(zhì)、大面積的帆，通過光壓產(chǎn)生推力。原理是光子攜帶動量，被帆反射后動量改變，對帆產(chǎn)生持續(xù)推力。優(yōu)勢是能量來源可以是太陽或地面激光，燃料為零（只需帆），理論上可達到極高的逃逸速度或光速的有限比例。挑戰(zhàn)在于需要極高的激光功率和能量轉(zhuǎn)換效率，帆的材料強度、輕質(zhì)化、散熱問題，以及精確的指向控制。成熟度相對較低，尚處于概念和實驗驗證階段。②核聚變推進：利用聚變反應(yīng)釋放的巨大能量加熱工質(zhì)產(chǎn)生推力。優(yōu)勢是能量密度極高，比沖遠超化學(xué)和核裂變，可實現(xiàn)快速星際旅行。挑戰(zhàn)在于聚變反應(yīng)的點火、穩(wěn)控、能量轉(zhuǎn)換效率、材料耐受高溫高壓輻射、工程實現(xiàn)難度極大。成熟度處于長遠的未來展望階段。③反物質(zhì)推進：利用正反物質(zhì)湮滅產(chǎn)生的能量。原理是正反物質(zhì)湮滅時釋放巨大能量。優(yōu)勢是能量轉(zhuǎn)換效率理論上最高，產(chǎn)生的輻射可控，比沖極高。挑戰(zhàn)在于反物質(zhì)的制造效率極低、儲存極其困難、成本天文數(shù)字。成熟度最低，目前仍處于基礎(chǔ)研究和理論探索層面。④核熱推進（已有應(yīng)用）：如前所述，利用核反應(yīng)熱加熱推進劑。優(yōu)勢是技術(shù)相對成熟（已有航天器應(yīng)用），比沖高于化學(xué)。挑戰(zhàn)是比沖仍有限，燃料是重元素（氘或氚），需處理核廢料。成熟度較高，是當前深空探測器的有力選擇，但非星際旅行的終極方案。四、開放題（15分）19.未來20年星際航行領(lǐng)域可能出現(xiàn)的重大突破之一是可調(diào)諧高功率激光推進（TunableHigh-PowerLaserPropulsion）技術(shù)的顯著進展。這種技術(shù)可能結(jié)合更高效的地面激光陣列、耐高溫高功率的光學(xué)元件、輕質(zhì)高強度的反射帆材料以及先進的精密指向與控制系統(tǒng)。其潛在影響是：①使實現(xiàn)“快速訪客”級（例如，10-20年內(nèi)抵達近鄰恒星系）的無人星際探測器成為現(xiàn)實，極大地拓展人類對太陽系外行星系統(tǒng)的直接觀測能力。②推動小型、快速無人探測器成為主流，