2025年大學(xué)《空間科學(xué)與技術(shù)》專業(yè)題庫——太空中微觀力學(xué)行為研究與模擬考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共10分）1.在真空環(huán)境下，下列哪一項(xiàng)不是導(dǎo)致材料表面張力顯著變化的主要原因？A.氣體吸附減少B.沉降效應(yīng)消失C.重力對液滴形態(tài)影響減弱D.材料內(nèi)部原子鍵合強(qiáng)度發(fā)生變化2.微重力環(huán)境下，顆粒體系的宏觀行為與地面相比，以下描述錯(cuò)誤的是？A.沉降現(xiàn)象顯著減弱B.流體混合更加均勻C.液滴更容易形成球形D.顆粒更容易團(tuán)聚成大顆粒3.空間材料受到高能粒子輻照時(shí)，主要發(fā)生的微觀損傷機(jī)制包括？A.晶格空位和間隙原子產(chǎn)生B.位錯(cuò)密度急劇增加C.相變與元素偏析D.以上所有4.分子動力學(xué)（MD）模擬主要用于研究物質(zhì)的哪個(gè)尺度上的力學(xué)行為？A.宏觀尺度B.細(xì)觀/介觀尺度C.微觀/原子尺度D.納米尺度5.對于研究空間環(huán)境下材料的疲勞行為，以下哪種研究方法更適合揭示微觀機(jī)制？A.大尺寸拉伸實(shí)驗(yàn)B.原子力顯微鏡（AFM）劃痕測試C.分子動力學(xué)模擬D.有限元分析（FEA）二、填空題（每空1分，共10分）6.真空環(huán)境對材料力學(xué)行為的影響主要體現(xiàn)在降低__________效應(yīng)和改變表面__________。7.微重力環(huán)境下，流體的__________和__________現(xiàn)象顯著減弱。8.高能粒子輻照會導(dǎo)致材料產(chǎn)生位移損傷，主要形式包括空位和__________。9.分子動力學(xué)模擬中，原子間相互作用力通常通過__________函數(shù)來描述。10.研究空間材料微觀力學(xué)行為時(shí)，結(jié)合__________實(shí)驗(yàn)和__________模擬是重要的研究策略。三、簡答題（每題5分，共20分）11.簡述真空環(huán)境對固體材料表面力學(xué)性能（如硬度、摩擦系數(shù)）可能產(chǎn)生的影響及其物理機(jī)制。12.解釋微重力環(huán)境下液體表面張力系數(shù)相較于地面環(huán)境可能發(fā)生的變化，并說明其影響。13.分子動力學(xué)模擬中，選擇合適的原子相互作用勢（力場）至關(guān)重要，簡述選擇力場時(shí)應(yīng)考慮的主要因素。14.闡述輻射損傷對材料宏觀力學(xué)性能（如強(qiáng)度、韌性）產(chǎn)生影響的微觀機(jī)制。四、分析題（每題10分，共20分）15.假設(shè)需要研究某金屬薄膜在空間真空和輻射環(huán)境下的長期力學(xué)性能演化，請簡述你會采用的研究方法（包括實(shí)驗(yàn)和模擬），并說明各方法的側(cè)重點(diǎn)和預(yù)期獲得的信息。16.分析一下，將有限元分析（FEA）應(yīng)用于模擬空間結(jié)構(gòu)（如衛(wèi)星太陽能帆板）的力學(xué)行為時(shí)，需要考慮哪些與地面環(huán)境不同的特殊因素？試卷答案一、選擇題1.D2.D3.D4.C5.C二、填空題6.沉降；吸附7.沉降；對流8.離子9.力場10.原位；理論三、簡答題11.解析：真空環(huán)境下，固體表面吸附的氣體分子減少，削弱了表面原子與吸附物之間的作用力，可能導(dǎo)致表面硬度略微下降。同時(shí)，缺少氣體分子的阻礙，表面原子更容易發(fā)生遷移，通常會使表面摩擦系數(shù)降低。此外，真空中的原子或離子濺射也可能導(dǎo)致表面粗糙度變化，進(jìn)而影響力學(xué)性能。12.解析：微重力環(huán)境下，流體所受的重力分量極小，浮力效應(yīng)也幾乎消失。這使得液滴在沒有其他外力干擾下趨向于形成能量最低的球形。由于浮力驅(qū)動和對流現(xiàn)象顯著減弱，不同組分液體的混合主要依賴擴(kuò)散，可能導(dǎo)致表面張力相對地面環(huán)境下（受重力影響，表面能和重力勢能共同決定平衡形態(tài)）有所增加，且更易維持均勻的表面狀態(tài)。13.解析：選擇力場時(shí)應(yīng)主要考慮：①與所研究材料體系和性質(zhì)（如元素組成、相結(jié)構(gòu)、溫度范圍）的匹配度；②力場參數(shù)化方法的可靠性和準(zhǔn)確性（如基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或第一性原理計(jì)算）；③計(jì)算效率，即力場函數(shù)的復(fù)雜程度對模擬時(shí)間步長和計(jì)算成本的影響；④力場在模擬所需時(shí)間尺度內(nèi)是否足夠穩(wěn)定和保守（能量守恒等）。14.解析：輻射損傷對材料宏觀力學(xué)性能的影響主要通過微觀機(jī)制的累積效應(yīng)實(shí)現(xiàn)。高能粒子轟擊原子核，產(chǎn)生位移損傷，形成大量點(diǎn)缺陷（空位、間隙原子）。這些缺陷及其相互作用（如形成位錯(cuò)環(huán)、相界）會阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動，從而提高材料的屈服強(qiáng)度和硬度，使材料變脆。同時(shí)，缺陷的引入也可能引起晶格畸變和應(yīng)力場，誘發(fā)微觀裂紋，降低材料的韌性、疲勞壽命和斷裂韌性。四、分析題15.解析：研究金屬薄膜在空間真空和輻射下的長期力學(xué)性能演化，需采用實(shí)驗(yàn)與模擬相結(jié)合的方法。*實(shí)驗(yàn)方法：可利用地面空間環(huán)境模擬器（如高真空chamber、粒子輻照裝置、溫度循環(huán)設(shè)備）進(jìn)行模擬空間環(huán)境的短期實(shí)驗(yàn)，測試薄膜的力學(xué)性能（硬度、拉伸強(qiáng)度、疲勞等）隨時(shí)間的變化。原位表征技術(shù)（如AFM、SEM）可用于觀察薄膜表面微觀形貌和結(jié)構(gòu)在實(shí)驗(yàn)過程中的動態(tài)演變。此外，將樣品實(shí)際發(fā)射到空間站或衛(wèi)星上進(jìn)行在軌實(shí)驗(yàn)，獲得真實(shí)空間環(huán)境的長期數(shù)據(jù)，是最終驗(yàn)證模擬結(jié)果的關(guān)鍵。*模擬方法：可采用分子動力學(xué)（MD）模擬研究原子尺度的損傷累積過程、缺陷遷移、相變等微觀機(jī)制。有限元分析（FEA）可用于模擬薄膜在宏觀載荷下的應(yīng)力應(yīng)變分布，并考慮輻照引入的初始損傷分布對力學(xué)性能的影響。蒙特卡洛方法也可用于模擬輻射損傷的隨機(jī)過程及其統(tǒng)計(jì)效應(yīng)。模擬的側(cè)重點(diǎn)在于：MD側(cè)重揭示微觀機(jī)制和損傷演化細(xì)節(jié)；FEA側(cè)重預(yù)測宏觀力學(xué)響應(yīng)和評估損傷對整體性能的影響；模擬可提供實(shí)驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)的極端條件或長時(shí)間尺度信息，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相互印證。*預(yù)期信息：通過結(jié)合實(shí)驗(yàn)和模擬，可以獲得金屬薄膜在真空和輻射綜合作用下，其微觀結(jié)構(gòu)演變規(guī)律、宏觀力學(xué)性能（強(qiáng)度、韌性、疲勞壽命等）的退化機(jī)制和速率，為空間材料的設(shè)計(jì)、選型和防護(hù)提供理論依據(jù)。16.解析：將FEA應(yīng)用于模擬空間結(jié)構(gòu)力學(xué)行為時(shí)，需要考慮以下與地面環(huán)境不同的特殊因素：*環(huán)境載荷：除了常規(guī)的機(jī)械載荷，還需考慮空間特有的環(huán)境載荷，如太陽輻射壓、地球引力梯度、三軸太陽風(fēng)壓、微流星體/空間碎片撞擊載荷、溫度波動引起的熱載荷等。這些載荷可能周期性或隨機(jī)性地作用于結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生額外的應(yīng)力、變形甚至損傷。*材料特性：空間環(huán)境的長期作用（如輻照、溫度循環(huán)）會改變結(jié)構(gòu)材料的本構(gòu)關(guān)系和力學(xué)性能（如強(qiáng)度下降、蠕變、脆化），F(xiàn)EA建模時(shí)需采用考慮時(shí)間依賴性和環(huán)境效應(yīng)的非線性、隨時(shí)間變化的材料模型。*幾何非線性與接觸：空間結(jié)構(gòu)（特別是大型柔性結(jié)構(gòu)如帆板、天線）在發(fā)射、展開、運(yùn)行過程中可能產(chǎn)生大的幾何變形，需要考慮大變形、大轉(zhuǎn)動下的幾何非線性效應(yīng)。結(jié)構(gòu)部件間的接觸、連接（如螺栓連接、膠接）的建模也更為復(fù)雜。*多物理場耦合：空間結(jié)構(gòu)常涉及力-熱耦合（機(jī)械載荷與溫度場相互作用導(dǎo)致熱應(yīng)力）、力-電耦合（如電流體動力學(xué)效應(yīng)對結(jié)構(gòu)的作用）等問題，需要采用多物理場耦合的FEA方法進(jìn)行分析。*動力學(xué)效