2025年大學(xué)《空間科學(xué)與技術(shù)》專業(yè)題庫——深空探測任務(wù)的技術(shù)挑戰(zhàn)與解決方案考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分）1.下列哪一項(xiàng)不是深空探測任務(wù)區(qū)別于近地空間任務(wù)的最主要環(huán)境因素？A.強(qiáng)烈的宇宙輻射B.極端的溫度變化C.真空環(huán)境D.地球磁場保護(hù)2.對于距離地球數(shù)十億公里的深空探測任務(wù)，以下哪項(xiàng)技術(shù)最為關(guān)鍵以克服巨大的距離帶來的通信延遲問題？A.高功率發(fā)射機(jī)B.高增益天線C.高度自主的軌道控制與科學(xué)決策能力D.高速星際推進(jìn)技術(shù)3.深空探測器需要攜帶大量燃料，這主要是因?yàn)椋篈.地球引力勢能高B.太空中的阻力無處不在C.化學(xué)推進(jìn)劑的能量密度相對較高D.深空環(huán)境缺乏能量補(bǔ)充途徑4.在深空探測任務(wù)中，實(shí)現(xiàn)“人在太空中生存”面臨的核心挑戰(zhàn)之一是：A.軌道維持精度要求極高B.能源供應(yīng)的持續(xù)性和效率C.零重力對人體生理的影響D.通信帶寬的有限性5.以下哪種技術(shù)不屬于深空探測器自主導(dǎo)航與定軌的主要手段？A.光學(xué)導(dǎo)航（對恒星、行星、已知小行星進(jìn)行拍照測量）B.多普勒雷達(dá)測速C.地球敏感器D.星載GPS接收機(jī)6.為了抵御深空環(huán)境中高能粒子（如宇宙射線、太陽粒子事件）的輻射損傷，深空探測器的關(guān)鍵電子元器件通常需要采取的措施是：A.使用柔性材料封裝B.進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)C.采用抗輻射加固設(shè)計(jì)（如屏蔽、降額、特殊工藝）D.定期進(jìn)行地面維護(hù)7.下列關(guān)于深空探測任務(wù)能源系統(tǒng)的描述，哪一項(xiàng)是錯(cuò)誤的？A.太陽能電池板是許多深空探測器的主要能源來源B.核電池（放射性同位素?zé)犭娫矗┛梢詾檫h(yuǎn)離太陽的探測器提供穩(wěn)定電力C.磁流體發(fā)電是一種正在探索中的深空在軌能源獲取方式D.化學(xué)電池因能量密度高而被廣泛用作深空探測器的主電源8.深空探測任務(wù)中，實(shí)現(xiàn)“無人化”或“少人化”操作，提高任務(wù)成功率的關(guān)鍵在于：A.減少探測器攜帶的科學(xué)儀器種類B.提升探測器的自主故障診斷與修復(fù)能力C.增加地面測控中心的數(shù)量D.降低對地通信頻率9.采樣返回任務(wù)相較于一次性探測器，其最核心的技術(shù)挑戰(zhàn)在于：A.需要更高的軌道機(jī)動能力B.如何在目標(biāo)天體上安全、有效地采集和封裝樣本C.需要攜帶樣本封裝容器和返回火箭D.增加了樣本在地球上的生物安全評估環(huán)節(jié)10.深空探測領(lǐng)域采用“系列化”發(fā)展策略的主要目的是：A.降低單次任務(wù)的研發(fā)成本B.滿足不同科學(xué)目標(biāo)對探測器性能的巨大差異C.縮短任務(wù)周期D.減少對地測控資源的需求二、填空題（每空1分，共15分）1.深空探測任務(wù)面臨的主要通信挑戰(zhàn)包括距離帶來的______延遲和有限的______帶寬。2.為了克服地球引力束縛，深空探測器通常需要進(jìn)行______軌道機(jī)動。3.深空環(huán)境中的主要威脅因素除了極端溫度和真空外，還包括高能______、微流星體撞擊和______。4.深空探測器的能源系統(tǒng)需要具備高能量密度、長壽命以及適應(yīng)______變化的能力。5.實(shí)現(xiàn)深空探測器自主導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)之一是利用星載______進(jìn)行自主定軌。6.為了延長深空探測器的壽命，除了硬件設(shè)計(jì)外，還需要考慮軟件的______和______。7.深空探測任務(wù)的測控網(wǎng)絡(luò)通常采用多級______體制，以覆蓋廣闊的探測區(qū)域。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述深空探測任務(wù)中推進(jìn)系統(tǒng)面臨的主要挑戰(zhàn)及其可能的解決方案方向。2.解釋什么是“光壓”，并說明其對深空探測器軌道控制可能產(chǎn)生的影響。3.列舉至少三種深空探測器需要進(jìn)行的自主故障診斷與恢復(fù)操作，并簡述其重要性。4.簡述深空探測任務(wù)中，采用冗余設(shè)計(jì)的主要目的和潛在缺點(diǎn)。四、論述題（每題10分，共30分）1.以一個(gè)具體的深空探測任務(wù)（如火星探測、木星系探測或小行星采樣返回）為例，分析該任務(wù)面臨的最主要的技術(shù)挑戰(zhàn)，并闡述為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)所采取的關(guān)鍵技術(shù)措施及其相互關(guān)系。2.隨著探測目標(biāo)的日益遙遠(yuǎn)（如太陽系邊際、甚至更外層空間），深空探測任務(wù)在技術(shù)層面將面臨哪些前所未有的挑戰(zhàn)？你認(rèn)為未來解決這些挑戰(zhàn)可能的技術(shù)方向有哪些？3.對比分析太陽能電池板技術(shù)和核電池技術(shù)在深空探測中的應(yīng)用場景、優(yōu)缺點(diǎn)及適用性，并討論未來兩者可能的結(jié)合方式或發(fā)展趨勢。---試卷答案一、選擇題1.D2.C3.A4.C5.D6.C7.D8.B9.B10.A二、填空題1.信號；通信2.地火轉(zhuǎn)移（或“變軌”）3.輻射；空間天氣4.效率（或“日照強(qiáng)度”）5.慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（或“星敏感器”）6.可維護(hù)性；可升級性7.測控站（或“網(wǎng)絡(luò)”）三、簡答題1.挑戰(zhàn)：推進(jìn)比沖（效率）低，燃料攜帶量大，能量消耗高，受空間環(huán)境（如等離子體、微流星體）影響，長期在軌可靠性要求高。解決方案方向：開發(fā)高比沖推進(jìn)技術(shù)（如電推進(jìn)、核熱推進(jìn)、光帆推進(jìn)），研究新型推進(jìn)劑，采用燃料電池等能源補(bǔ)充方式，提升推進(jìn)器設(shè)計(jì)和制造工藝的可靠性。2.解釋：光壓是光線（電磁輻射）攜帶動量，照射到物體表面時(shí)產(chǎn)生的微弱壓力。影響：對質(zhì)量輕、表面積大的探測器（如大型太陽能帆板），光壓的影響不可忽略，可能導(dǎo)致軌道漂移、太陽帆板指向困難等問題，需要在軌道設(shè)計(jì)中加以考慮，甚至可以利用光壓進(jìn)行微弱軌道機(jī)動。3.操作示例：傳感器故障自動切換、執(zhí)行機(jī)構(gòu)異常安全隔離、通信鏈路中斷時(shí)的自主重選、基于冗余系統(tǒng)故障檢測與切換、任務(wù)異常模式識別與規(guī)避、關(guān)鍵任務(wù)中斷后的自主恢復(fù)嘗試等。重要性：深空環(huán)境惡劣，通信延遲嚴(yán)重，地面無法實(shí)時(shí)干預(yù)，自主故障診斷與恢復(fù)能力是保障探測器生存和任務(wù)成功的關(guān)鍵，能顯著提高任務(wù)成功率。4.目的：提高系統(tǒng)的可靠性（冗余單元失效時(shí)，系統(tǒng)仍能運(yùn)行）和任務(wù)連續(xù)性，增強(qiáng)系統(tǒng)容錯(cuò)能力。潛在缺點(diǎn)：增加系統(tǒng)復(fù)雜性、成本、質(zhì)量和功耗，冗余資源的分配和管理本身也帶來挑戰(zhàn)（如“多數(shù)表決”策略的局限性）。四、論述題1.（示例：以火星探測為例）主要挑戰(zhàn)：*距離遙遠(yuǎn)與通信延遲：地火距離變化大，單程耗時(shí)數(shù)月至數(shù)年，存在約20-40分鐘的通信延遲，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。*高能輻射環(huán)境：火星軌道附近宇宙射線和太陽粒子事件輻射水平高，威脅航天器電子設(shè)備和宇航員（若未來載人）安全。*極端溫差：火星表面溫度變化劇烈，對探測器熱控制和材料選擇提出嚴(yán)苛要求。*著陸與運(yùn)行：火星大氣稀薄（約地球1%），著陸窗口窄，著陸過程能量消耗大，風(fēng)險(xiǎn)高。移動車（Rover）在沙質(zhì)地表行駛易陷入。*能源供應(yīng)：火星日照強(qiáng)度低于地球，且晝夜周期（約24.6小時(shí)）與地球不同，需要高效能源系統(tǒng)（如核電池或大面積太陽能電池板）。關(guān)鍵技術(shù)與措施：*遠(yuǎn)距離測控與自主導(dǎo)航：采用深空網(wǎng)絡(luò)（DSN）進(jìn)行測控，探測器具備高自主性（如基于星敏感器和光學(xué)導(dǎo)航的定軌、自主路徑規(guī)劃與避障）。*輻射防護(hù)：對關(guān)鍵電子器件進(jìn)行輻射加固設(shè)計(jì)（如屏蔽、使用抗輻射芯片），采用冗余設(shè)計(jì)。*熱控制：設(shè)計(jì)高效的多層隔熱材料（MLI）和熱管等被動/主動熱控系統(tǒng)。*著陸技術(shù)：采用空氣制動、降落傘、反推火箭組合的“三級”著陸方式，實(shí)現(xiàn)軟著陸。*能源系統(tǒng)：火星車普遍采用太陽能電池板+蓄電池的方案，軌道器或未來載人任務(wù)可能考慮核電池。相互關(guān)系：高能輻射防護(hù)設(shè)計(jì)會影響探測器體積和重量，進(jìn)而影響著陸時(shí)的能量消耗和有效載荷；自主導(dǎo)航能力要求更高的計(jì)算平臺和冗余設(shè)計(jì)；著陸技術(shù)的成功是整個(gè)任務(wù)鏈的基石，依賴于推進(jìn)、能源、熱控等多種技術(shù)的支持；能源系統(tǒng)是保障所有子系統(tǒng)（包括自主系統(tǒng)）運(yùn)行的基礎(chǔ)。2.前所未有的挑戰(zhàn)：*極端距離與延遲：地球與目標(biāo)（如奧爾特云、太陽系邊際）距離可達(dá)數(shù)光年，通信延遲可達(dá)數(shù)小時(shí)至數(shù)天，使得實(shí)時(shí)控制和干預(yù)幾乎不可能。*極端環(huán)境：可能面臨更強(qiáng)的星際介質(zhì)阻力、更難以預(yù)測的磁場和輻射環(huán)境、極低的溫度等。*長期自主性要求極高：任務(wù)持續(xù)時(shí)間可能長達(dá)數(shù)十年甚至上百年，要求探測器具備超高的自主生存、運(yùn)行、故障診斷與修復(fù)能力。*高可靠性要求：長時(shí)間運(yùn)行在無人干預(yù)環(huán)境下，對系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和抗老化能力要求極高。*能源供應(yīng)新挑戰(zhàn)：太陽能效率隨距離平方反比急劇下降，需要探索更可靠的能源方案（如星際核反應(yīng)堆、能量收集新技術(shù)）。*數(shù)據(jù)傳輸與處理：即使采用先進(jìn)通信技術(shù)，傳輸海量科學(xué)數(shù)據(jù)仍面臨巨大挑戰(zhàn)，需要高效的在軌數(shù)據(jù)壓縮、存儲和處理能力。未來技術(shù)方向：*革命性推進(jìn)技術(shù)：如核聚變推進(jìn)、激光帆推進(jìn)、甚至曲速引擎（理論）等，以實(shí)現(xiàn)更快的星際旅行。*人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)：用于實(shí)現(xiàn)更高級別的自主決策、故障診斷、科學(xué)目標(biāo)自主探索與優(yōu)化。*先進(jìn)材料與制造：開發(fā)耐極端環(huán)境、輕質(zhì)高強(qiáng)、可自修復(fù)的材料，以及低成本、高可靠性的微納衛(wèi)星或智能材料結(jié)構(gòu)。*在軌服務(wù)與制造（ISAM）：在深空部署服務(wù)艙，為其他探測器提供能源、推進(jìn)、維修等支持，甚至進(jìn)行部分制造。*核能利用：更廣泛、高效地應(yīng)用放射性同位素?zé)犭娫椿蛭磥砗朔磻?yīng)堆為深空任務(wù)供能。*新型通信技術(shù)：如激光通信、量子通信等，以提高數(shù)據(jù)傳輸速率和安全性。3.對比分析：太陽能電池板技術(shù)：*應(yīng)用場景：主要適用于距離太陽相對較近、有足夠光照條件的深空探測任務(wù)，如月球、火星、太陽系內(nèi)行星及其衛(wèi)星的軌道器、著陸器和巡視器。*優(yōu)點(diǎn)：能量來源穩(wěn)定（只要在太陽可見范圍內(nèi)）、技術(shù)成熟、無放射性、成本相對較低（尤其對于大面積部署）。*缺點(diǎn)：能量密度較低（單位面積產(chǎn)生的功率有限）、受光照強(qiáng)度（距離太陽遠(yuǎn)近、太陽活動、目標(biāo)天體自轉(zhuǎn)/公轉(zhuǎn)遮擋）影響大、需要大面積電池陣、對溫度敏感（高溫輸出效率下降）、存在老化衰減問題。核電池技術(shù)（放射性同位素?zé)犭娫?，RTG）：*應(yīng)用場景：適用于距離太陽遙遠(yuǎn)、光照微弱或無光照的區(qū)域（如太陽系邊際探測器、木星系及外行星探測器），或?qū)β市枨蟪掷m(xù)穩(wěn)定且較高的任務(wù)（如早期載人登月生命保障）。*優(yōu)點(diǎn)：能量密度極高（遠(yuǎn)超太陽能）、不依賴光照、壽命長（可達(dá)數(shù)十年甚至上百年）、輸出功率穩(wěn)定、無活動部件、對空間環(huán)境（如塵埃、輻射）不敏感。*缺點(diǎn)：成本極高、涉及放射性物質(zhì)，需要嚴(yán)格的安全管理和防護(hù)措施、輸出功率相對固定，調(diào)節(jié)范圍有限、存在技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)（如放射性污染、電池性能隨時(shí)間略有漂移）。結(jié)合方式/發(fā)展趨勢：*混合動力系統(tǒng)：在一個(gè)探測