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2025年大学《空间科学与技术》专业题库——星际飞船舱内氧气浓度控制

考试时间：______分钟总分：______分姓名：______

一、

简述人类在太空环境中对氧气浓度进行精确控制的主要原因和潜在风险。

二、

比较电解水制氧和过氧化钠（Na?O?）分解制氧两种主要空间制氧技术的原理、优缺点及适用场景。

三、

解释什么是氧气分压，并说明在维持舱内氧气浓度时，调节总压和氧气分压分别起到什么作用。

四、

描述空间站或星际飞船中常见的二氧化碳去除系统（如CO?吸收/再生系统）如何间接影响船舱内的氧气浓度，并简述其工作原理。

五、

列举至少三种用于监测船舱内氧气浓度的传感器类型，并简述其中一种的工作原理。

六、

在空间环境中，如果氧气浓度突然过高，可能引发哪些生理问题？请至少列举三种，并简述相应的应急处理思路。

七、

设计一个简化的星际飞船舱内氧气控制系统方案，需要说明核心组件（如传感器、控制单元、执行机构）、基本工作流程以及如何保证系统的基本可靠性。

八、

假设某星际飞船采用电解水制氧系统，每天消耗电能1000kWh。已知该系统在标准条件下的氧气产率为85%。请计算该系统每天理论上能产生多少公斤的氧气？（提示：水的摩尔质量约为18g/mol，氧气摩尔质量为32g/mol，标准状况下气体摩尔体积约为22.4L/mol，电能转换效率按100%计算，仅作原理性计算）

九、

分析在长期深空任务中，氧气循环再利用系统（包括空气净化器和二氧化碳再生）对于减少资源携带量、提高任务持续时间的意义。

十、

讨论在设计和实施星际飞船船舱内氧气浓度控制系统时，需要重点考虑哪些工程因素，例如安全性、能源效率、维护便利性等，并选择其中一两个因素进行详细阐述。

试卷答案

一、

原因：人类和动植物在太空环境下生存必须依赖适宜的氧气浓度以维持正常的呼吸和新陈代谢。

风险：氧气浓度过低会导致缺氧（Hypoxia），引发意识丧失、器官损伤甚至死亡；氧气浓度过高则可能引发氧中毒（Hyperoxia），损害肺部和中央神经系统。

二、

电解水制氧：利用电能通过电解槽将水分子分解为氢气和氧气。优点是产物纯度高、不产生其他副产物。缺点是能耗高、设备较复杂、需要携带电解质和电极材料。

过氧化钠分解制氧：过氧化钠与二氧化碳或水反应生成氧气和碳酸钠或氢氧化钠。优点是无需能源即可制氧、可同时处理二氧化碳。缺点是反应放热、可能产生有毒副产物（如氢氧化钠）、氧气纯度可能不高。

适用场景：电解水适用于对氧气纯度要求高、能源供应充足的场景。过氧化钠适用于能源受限、需要同时处理二氧化碳的紧急或长期任务场景。

三、

氧气分压是指在一个混合气体中，氧气所占据的总压强的一部分，等于总压乘以氧气的摩尔分数（或体积分数）。

调节总压：改变舱内所有气体的总压强，直接影响氧气的吸入量和生理感受，但不改变氧气与其他气体（如氮气）的分压比例。

调节氧气分压：直接改变氧气的浓度，直接影响人体的氧气摄取效率，是维持生理需求的核心。

四、

CO?去除系统通过消耗船舱内的二氧化碳，改变了舱内气体的组成。根据理想气体分压定律（道尔顿分压定律），总压等于各气体分压之和。当CO?被消耗时，若总压和氮气分压不变，则氧气分压会相对升高。反之，如果系统通过产生氧气来补充被消耗的CO?（例如某些再生系统），则会直接增加氧气浓度。常见的PCU系统在消耗CO?的同时，可能会通过不完全燃烧消耗少量氧气，从而间接影响氧气浓度。

五、

传感器类型：电化学传感器（如顺磁式、燃料电池式）、红外吸收传感器、紫外吸收传感器、电离室传感器。

工作原理（以电化学传感器为例）：利用氧气与特定电化学介质（如电解质、催化剂）发生电化学反应产生电流或电压信号，电流/电压大小与氧气分压成正比。

六、

生理问题：肺部损伤（如肺水肿、纤维化）、中枢神经系统损伤（如抽搐、昏迷）、视网膜损伤。

应急处理思路：立即降低舱内氧气浓度（如关闭制氧设备、引入惰性气体）、将受影响的宇航员转移到空气稀薄区域、提供医疗救助。

七、

方案：

核心组件：氧气浓度传感器（实时监测分压）、控制单元（微处理器，比较设定值与实际值）、执行机构（调节制氧量或消耗量的设备，如阀门、燃料电池模块）、报警单元。

工作流程：传感器持续监测氧气分压，将信号送入控制单元。控制单元与设定值比较，若低于设定值则指令执行机构增加制氧量；若高于设定值则指令执行机构增加氧气消耗或减少制氧量。报警单元在浓度异常时发出警报。

可靠性保证：采用冗余设计（备用传感器、控制单元、执行机构）、定期自检、模块化设计便于更换、选择高可靠性元器件。

八、

计算：

1.每天理论总氧气摩尔数=1000kWh*1000Wh/kWh/1.648kWh/kmol≈604855kmol

2.实