2025年大學(xué)《空間科學(xué)與技術(shù)》專業(yè)題庫——星際旅行與星際航行技術(shù)考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述星際旅行的定義及其與行星際旅行的主要區(qū)別，并說明探索星際空間的主要科學(xué)和潛在應(yīng)用價值。二、根據(jù)狹義相對論，物體的質(zhì)量會隨著速度的增加而增加。簡述這一效應(yīng)如何限制星際航行達(dá)到光速，并解釋為什么目前認(rèn)為超光速旅行在基本物理定律框架內(nèi)面臨巨大挑戰(zhàn)。三、列舉三種不同的非核推進(jìn)概念，簡要描述其工作原理，并分析各自面臨的主要技術(shù)難點或局限性。四、核推進(jìn)技術(shù)被認(rèn)為是實現(xiàn)有意義的星際航行的重要潛在途徑。簡述核裂變電推進(jìn)（如離子推進(jìn)）相比傳統(tǒng)化學(xué)火箭的主要優(yōu)勢，并指出其能量輸出功率方面的限制。五、設(shè)計一個（概念性的）星際飛船生命維持系統(tǒng)，需要考慮至少三個關(guān)鍵方面。針對其中一個方面（如輻射防護(hù)），詳細(xì)說明可能采用的技術(shù)或策略及其原理。六、引力彈弓（引力助推）是當(dāng)前深空探測任務(wù)常用的技術(shù)。請解釋引力彈弓的工作原理，并說明為什么它對于直接進(jìn)行星際航行（而非僅僅探測附近星系）作用有限。七、假設(shè)人類計劃發(fā)射一艘使用核聚變推進(jìn)的星際探測器前往比鄰星（距離約4.24光年）。請分析這項任務(wù)在技術(shù)層面面臨的主要挑戰(zhàn)，并至少提出兩個應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的可能研究方向或思路。八、討論費米悖論（Whereiseverybody?）所提出的關(guān)于外星文明的問題。列舉并簡要說明費米悖論可能存在的幾種解釋，無需判斷哪種解釋更可信。九、從工程和資源的角度，比較將人類（而非探測器）送往火星與理論上送往鄰近恒星系的巨大差異。分析目前人類技術(shù)水平在支持超長距離星際載人航行方面存在的根本性障礙。試卷答案一、*答案：星際旅行是指穿越恒星系際空間，前往其他恒星系統(tǒng)或更遙遠(yuǎn)空間區(qū)域的航行活動。與行星際旅行（在太陽系內(nèi)行星之間進(jìn)行）相比，星際旅行的距離尺度極大（通常以光年計），涉及更復(fù)雜的引力環(huán)境（如星際介質(zhì)、其他恒星引力），且對航行速度和持續(xù)時間提出了遠(yuǎn)超行星際旅行的要求。探索星際空間的價值在于：科學(xué)上，可以觀測到更早期、更原始的宇宙結(jié)構(gòu)，研究恒星和行星的演化，尋找地外生命跡象，驗證基礎(chǔ)物理定律在極端條件下的普適性；潛在應(yīng)用上，為人類文明的長期生存尋找新的家園或資源，拓展人類的活動范圍和認(rèn)知邊界。*解析思路：首先要清晰定義星際旅行和行星際旅行的核心區(qū)別在于空間范圍和復(fù)雜性。然后闡述探索星際空間的多方面意義，涵蓋科學(xué)發(fā)現(xiàn)（理解宇宙、生命起源、物理極限）和長遠(yuǎn)未來（生存拓展、資源）。二、*答案：根據(jù)狹義相對論，物體的相對論質(zhì)量隨速度增加而增加，公式為m=m?/√(1-v2/c2)，其中m?為靜止質(zhì)量，v為速度，c為光速。當(dāng)物體速度接近光速時，其相對論質(zhì)量趨近于無窮大，這意味著需要無限大的能量才能使其進(jìn)一步加速至光速。因此，任何有質(zhì)量的物體都無法達(dá)到或超越光速。超光速旅行在基本物理定律框架內(nèi)面臨挑戰(zhàn)，因為它可能違反因果律（導(dǎo)致信息或影響以超光速傳播），并且需要能量密度或物質(zhì)狀態(tài)（如蟲洞、曲速泡）遠(yuǎn)超當(dāng)前認(rèn)知和技術(shù)的實現(xiàn)方式。*解析思路：從相對論質(zhì)量增加公式入手，解釋達(dá)到光速所需的無限能量。然后指出超光速旅行的物理學(xué)障礙，主要是因果律問題和所需物理機(jī)制的極端性。三、*答案：1.光帆推進(jìn)：利用大型反射鏡陣列產(chǎn)生的定向強(qiáng)激光束照射輕質(zhì)、超光滑的帆狀結(jié)構(gòu)，通過光子動量傳遞產(chǎn)生持續(xù)的微弱推力。優(yōu)點是能量來源可以是太陽或地面的激光陣列，理論上可達(dá)到很高的最終速度，且無有害物質(zhì)排放。缺點是需要巨大的能量基礎(chǔ)設(shè)施，帆材料需能承受極高溫度和輻射，加速度較小且需長期維持。2.核聚變推進(jìn)：利用可控核聚變反應(yīng)釋放的巨大能量產(chǎn)生高能粒子束（直接噴發(fā)或作為工質(zhì)加熱）形成推力。優(yōu)點是能量密度極高，推力可調(diào)，有望實現(xiàn)快速星際旅行。缺點是聚變反應(yīng)的工程實現(xiàn)（如磁約束或慣性約束）極其困難，系統(tǒng)復(fù)雜且龐大，目前仍處于研究階段。3.質(zhì)子束推進(jìn)：利用高能加速器產(chǎn)生并聚焦質(zhì)子束，直接射向目標(biāo)物體或作為熱源加熱工質(zhì)產(chǎn)生推力。優(yōu)點是推力方向可控，能量轉(zhuǎn)換效率可能較高。缺點是加速器尺寸巨大，所需能量供應(yīng)復(fù)雜，且可能產(chǎn)生強(qiáng)輻射。*解析思路：對每種非核推進(jìn)概念進(jìn)行原理描述，并分別列出其主要的技術(shù)優(yōu)勢和核心挑戰(zhàn)。確保覆蓋不同類型的非核概念。四、*答案：核裂變電推進(jìn)（如離子推進(jìn)的升級版）相比傳統(tǒng)化學(xué)火箭的主要優(yōu)勢在于：更高的比沖（特定情況下可達(dá)數(shù)萬秒，遠(yuǎn)超化學(xué)火箭的幾百到一千秒）和更低的特定質(zhì)量（單位推力下火箭結(jié)構(gòu)質(zhì)量更輕）。這意味著可以用更少的燃料達(dá)到更高的速度，或者在相同燃料量下實現(xiàn)更快的速度，從而顯著縮短星際航行的旅行時間，并減少燃料攜帶負(fù)擔(dān)。然而，其主要限制在于能量輸出功率。核反應(yīng)堆發(fā)電需要將核能轉(zhuǎn)化為電能，再驅(qū)動電推進(jìn)系統(tǒng)（如離子發(fā)動機(jī)）。受限于核反應(yīng)堆的尺寸、重量、散熱能力和核燃料效率，其能夠提供的總電功率相對有限，這直接限制了電推進(jìn)系統(tǒng)的功率和最大推力，進(jìn)而影響了加速度和最高速度，使得它可能更適合中低加速的星際任務(wù)，而非追求極限速度的任務(wù)。*解析思路：先明確核裂變電推進(jìn)的核心優(yōu)勢（比沖、特定質(zhì)量）。然后重點分析其功率限制，解釋功率如何影響推進(jìn)系統(tǒng)性能（推力、加速度），并推導(dǎo)出對星際航行速度和時間的實際影響。五、*答案：（概念性設(shè)計）星際飛船生命維持系統(tǒng)需考慮：1.大氣與生命支持：提供可呼吸氣體（氧氣）、控制大氣成分（CO?、惰性氣體）、維持合適壓力、調(diào)節(jié)溫度和濕度。2.輻射防護(hù)：屏蔽來自宇宙射線（高能粒子）和星際介質(zhì)的輻射。3.廢物處理與資源再生：處理生活廢物和二氧化碳，回收利用水資源和空氣。針對輻射防護(hù)，可能采用的技術(shù)或策略包括：使用厚重的輕元素材料（如鋰）作為吸收體；利用飛船自身結(jié)構(gòu)或?qū)ｉT設(shè)計的防護(hù)層；建造磁場或等離子體鞘來偏轉(zhuǎn)帶電粒子；在軌道或深空利用行星或小行星的引力陰影區(qū)；設(shè)計可調(diào)節(jié)的防護(hù)罩或內(nèi)部屏蔽布局。其原理主要是通過物質(zhì)相互作用吸收或偏轉(zhuǎn)高能射線粒子。*解析思路：選擇三個關(guān)鍵方面進(jìn)行描述。在輻射防護(hù)方面，提出具體的防護(hù)技術(shù)選項（材料、磁場、陰影區(qū)等），并簡述其基本的物理原理（吸收、偏轉(zhuǎn)）。六、*答案：引力彈弓的工作原理是利用行星（或衛(wèi)星）相對于探測器的相對運動，通過探測器飛掠行星時受到的引力作用，改變探測器的速度矢量（大小和方向）。探測器掠過時，行星對探測器做正功，使其速度增加；同時探測器對行星做負(fù)功，但行星質(zhì)量巨大，速度變化可忽略不計。通過精心設(shè)計飛掠軌道，可以使探測器獲得額外的相對速度（可達(dá)行星逃逸速度甚至更高），從而節(jié)省大量燃料，改變飛向目標(biāo)的方向。然而，引力彈弓對于直接進(jìn)行星際航行作用有限，因為：1.行星的引力影響范圍相對有限，探測器需要足夠靠近才能獲得顯著加速；2.單次引力彈弓提供的速度增量相對有限，要達(dá)到恒星系際尺度的高速度需要多次飛掠多個大質(zhì)量天體，這會耗費極長時間；3.恒星系統(tǒng)內(nèi)的行星運動復(fù)雜，并非總能提供理想的引力彈弓機(jī)會；4.每次飛掠都限制了探測器最終可達(dá)的軌道范圍，難以直接飛出太陽系前往遙遠(yuǎn)的另一個恒星系統(tǒng)。*解析思路：先清晰解釋引力彈弓的基本物理機(jī)制（利用相對運動和引力做功改變速度矢量）。然后分析其在星際航行中的局限性，主要從單次彈弓效果、多目標(biāo)需求、適用范圍和行星系統(tǒng)動力學(xué)角度說明。七、*答案：發(fā)射核聚變推進(jìn)星際探測器前往比鄰星的計劃面臨巨大挑戰(zhàn)：1.核聚變技術(shù)成熟度：可控核聚變本身在地球上仍是巨大的科學(xué)和工程難題，距離實現(xiàn)高效、緊湊、安全的聚變反應(yīng)堆還有很長的路要走，更不用說將其應(yīng)用于深空探測。2.能量供應(yīng)與管理：聚變推進(jìn)系統(tǒng)需要巨大的能量輸入，如何在深空中可靠、持久地提供驅(qū)動聚變所需的能量是一個核心問題。3.飛船設(shè)計與工程：飛船需要承受極高的溫度、輻射和巨大的推力/推力矢量變化，材料科學(xué)、結(jié)構(gòu)設(shè)計、熱控、輻射防護(hù)等方面都面臨前所未有的挑戰(zhàn)。4.推進(jìn)系統(tǒng)性能：即使實現(xiàn)聚變推進(jìn)，要達(dá)到足以在人類可接受時間內(nèi)（如幾十年）抵達(dá)比鄰星的巡航速度，對推進(jìn)系統(tǒng)的比沖和效率要求極高。5.長期自主運行：探測器需要具備高度的自主性，能夠獨立完成長達(dá)數(shù)十年的航行、科學(xué)探測和故障處理。應(yīng)對挑戰(zhàn)的研究方向可能包括：開發(fā)更小型化、高效能的聚變反應(yīng)堆概念（如聚變點火、磁約束聚變簡化版）；研究先進(jìn)的散熱和輻射屏蔽材料與結(jié)構(gòu)；進(jìn)行大規(guī)模的地面和空間模擬實驗驗證；發(fā)展先進(jìn)的AI自主導(dǎo)航與控制算法；探索聚變?nèi)剂希ㄈ珉埃┰谔罩械目尚泄?yīng)與儲存方案。*解析思路：列出該任務(wù)面臨的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，涵蓋核心科學(xué)（聚變）、工程（能量、結(jié)構(gòu)、推進(jìn)）、操作（自主性）等方面。然后針對每個挑戰(zhàn)提出可能的應(yīng)對研究思路或方向。八、*答案：費米悖論（Whereiseverybody?）即“如果外星文明存在且技術(shù)先進(jìn)，為什么我們沒有觀測到它們？”的可能解釋包括：1.生命起源稀有：宇宙中形成生命（特別是智慧生命）的條件極其苛刻和罕見，能夠發(fā)展到星際航行階段的文明可能是極其稀有的。2.技術(shù)發(fā)展限制：技術(shù)發(fā)展可能存在瓶頸，許多文明可能停留在早期階段，無法進(jìn)行星際交流或航行?；蛘?，先進(jìn)的星際航行/通訊技術(shù)可能帶來災(zāi)難性后果（如自我毀滅、污染宇宙），導(dǎo)致文明有意識地避免發(fā)展或擴(kuò)展。3.大過濾器（GreatFilter）：在生命起源或文明發(fā)展路徑上存在一個或多個難以逾越的障礙（過濾器），阻止了大多數(shù)文明達(dá)到星際級別。這個過濾器可能位于過去（生命起源極其困難），也可能位于未來（智慧文明自我毀滅或選擇不擴(kuò)張）。4.通訊障礙：人類尋找外星文明的嘗試（如SETI）可能使用了錯誤的頻率或方式，或者星際通訊本身存在根本性的限制（如光速限制導(dǎo)致無法及時交流）。5.有意隱藏/不感興趣：高級文明可能出于某種原因（如避免干擾、宇宙?zhèn)惱恚┻x擇不接觸或暴露自己，或者對地球等初級文明不感興趣。6.存在但形式未知：外星生命或文明可能以人類無法想象或識別的形式存在。*解析思路：列舉費米悖論的主要解釋類別，并對每一類解釋的核心思想進(jìn)行簡要說明，無需進(jìn)行優(yōu)劣評判。九、*答案：將人類送往火星與理論上送往鄰近恒星系（如比鄰星）在工程和資源上的差異極其巨大?；鹦侨蝿?wù)雖然也是巨大的挑戰(zhàn)，但目標(biāo)天體就在太陽系內(nèi)，距離約0.72光秒，可以利用現(xiàn)有地外行星際網(wǎng)絡(luò)（深空網(wǎng)絡(luò)）進(jìn)行通信和導(dǎo)航，可以使用化學(xué)火箭進(jìn)行發(fā)射和軌道機(jī)動（盡管可能需要核動力支持），生命維持系統(tǒng)可以基于地球生物圈原理進(jìn)行部分閉環(huán)設(shè)計，且擁有可利用的稀薄大氣和資源（水冰）。而星際載人航行則面臨根本性障礙：1.距離尺度：光年級別的距離使得任何形式的星際航行都意味著極長的旅行時間（即使以現(xiàn)有最快探測器速度也需要數(shù)千年，載人則需更長時間），對生命維持系統(tǒng)的長期可靠性、宇航員的心理健康和生理適應(yīng)（如失重、輻射）提出無法想象的要求。2.推進(jìn)技術(shù)：缺乏能夠提供足夠高速度以在人類可接受時間內(nèi)完成星際航行的推進(jìn)技術(shù)。無論是核裂變還是更先進(jìn)的聚變、光帆等，都遠(yuǎn)未成熟到能實現(xiàn)快速星際旅行的程度。3.能源需求：載人星際飛船需要攜帶巨大的能源供應(yīng)系統(tǒng)（如空間核反應(yīng)堆）來支持生命維持、推進(jìn)系統(tǒng)以及長期自主運行。4.生命維持：需要實現(xiàn)近乎完美的閉環(huán)生命維持系統(tǒng)，能夠持續(xù)、高效地再生氧氣、水和食物，處理廢物，并有效防護(hù)長期暴露的星際輻射。5.輻射防護(hù)：宇宙射線的強(qiáng)度和