2025年大學(xué)《空間科學(xué)與技術(shù)》專業(yè)題庫——太空能源傳輸與儲(chǔ)存技術(shù)考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在題后的括號(hào)內(nèi)。）1.太空能源傳輸與儲(chǔ)存技術(shù)主要解決的核心問題是？A.航天器姿態(tài)控制B.航天器軌道維持C.航天器能源供應(yīng)D.航天器通信傳輸2.激光無線能量傳輸（LWET）主要利用哪種形式的電磁波進(jìn)行能量傳輸？A.紅外線B.可見光C.激光束D.無線電波3.下列哪種儲(chǔ)能方式主要依靠化學(xué)反應(yīng)來儲(chǔ)存能量？A.超導(dǎo)儲(chǔ)能B.燃料電池C.電容儲(chǔ)能D.超導(dǎo)儲(chǔ)能4.微波無線能量傳輸（MWET）相比激光傳輸，其主要優(yōu)勢(shì)通常在于？A.更高的能量密度B.更強(qiáng)的穿透大氣能力C.更低的系統(tǒng)復(fù)雜度D.更高的指向精度5.影響激光在空間傳輸效率的主要因素之一是？A.發(fā)射器功率B.接收器面積C.大氣衰減D.航天器熱輻射6.太空環(huán)境中，鋰離子電池的主要挑戰(zhàn)之一是？A.充電速度慢B.低溫性能差C.循環(huán)壽命短D.成本過高7.燃料電池在太空儲(chǔ)能應(yīng)用中的主要優(yōu)勢(shì)是？A.能量密度高B.維護(hù)簡(jiǎn)單C.可以在微重力環(huán)境下工作D.以上都是8.設(shè)計(jì)太空無線能量接收端時(shí)，必須重點(diǎn)考慮的關(guān)鍵技術(shù)是？A.發(fā)射端的成本B.傳輸通道的穩(wěn)定性C.高效能量轉(zhuǎn)換與散熱D.接收端的體積大小9.將太陽能電池作為太空能源儲(chǔ)存方式，其主要缺點(diǎn)是？A.需要復(fù)雜的熱控系統(tǒng)B.能量轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較低C.易受空間粒子輻照影響D.儲(chǔ)存容量有限10.評(píng)估一個(gè)太空能源傳輸與儲(chǔ)存系統(tǒng)性能時(shí)，通常最重要的指標(biāo)是？A.系統(tǒng)總重量B.能量傳輸效率C.系統(tǒng)初始成本D.儲(chǔ)能介質(zhì)的體積二、簡(jiǎn)答題（每題5分，共30分。請(qǐng)簡(jiǎn)要回答下列問題。）1.簡(jiǎn)述激光無線能量傳輸系統(tǒng)發(fā)射端的主要工作原理。2.簡(jiǎn)述微波無線能量傳輸系統(tǒng)中，能量從發(fā)射端到接收端大致經(jīng)歷的能量轉(zhuǎn)換過程。3.與傳統(tǒng)化學(xué)電池相比，簡(jiǎn)述燃料電池作為太空儲(chǔ)能介質(zhì)的主要特點(diǎn)。4.為什么太空能源傳輸系統(tǒng)需要考慮指向精度問題？5.簡(jiǎn)述太空環(huán)境中，儲(chǔ)能系統(tǒng)面臨的主要熱控挑戰(zhàn)。6.簡(jiǎn)述太空能源無線傳輸技術(shù)的潛在軍事應(yīng)用領(lǐng)域（至少列舉兩個(gè)）。三、計(jì)算題（每題10分，共20分。請(qǐng)列出計(jì)算步驟并給出最終結(jié)果。）1.某激光無線能量傳輸系統(tǒng)，發(fā)射端輸出激光功率為100kW，光束發(fā)散角為1毫弧度，傳輸距離為500km。假設(shè)大氣對(duì)激光的能量衰減為傳輸距離的0.1%，接收端有效接收面積為1m2。請(qǐng)估算接收端的初始激光功率密度（單位：W/m2）和考慮大氣衰減后的接收功率（單位：W）。假設(shè)接收端光電轉(zhuǎn)換效率為20%。2.某航天器任務(wù)需要儲(chǔ)存100MJ的能量，用于支持其非連續(xù)工作的子系統(tǒng)?，F(xiàn)有兩種儲(chǔ)能方案：方案A為鋰離子電池，能量密度為150Wh/kg，效率為90%；方案B為燃料電池，能量密度為200Wh/kg，效率為85%。假設(shè)電池需要能夠支持5次充放電循環(huán)。請(qǐng)計(jì)算兩種方案分別需要多少質(zhì)量（kg）的儲(chǔ)能介質(zhì)？哪種方案更優(yōu)？說明理由。四、論述題（15分。請(qǐng)結(jié)合所學(xué)知識(shí)，深入分析和闡述下列問題。）當(dāng)前，無線能量傳輸技術(shù)（特別是激光）與高能量密度、長(zhǎng)壽命的儲(chǔ)能技術(shù)相結(jié)合，被認(rèn)為是未來太空探索的重要發(fā)展方向。請(qǐng)分析這種結(jié)合方式的優(yōu)勢(shì)，并探討其在支持深空探測(cè)任務(wù)（如小行星采樣返回、地外行星任務(wù)）中可能面臨的重大技術(shù)挑戰(zhàn)及潛在的解決方案。試卷答案一、選擇題1.C*解析：太空能源傳輸與儲(chǔ)存技術(shù)的核心目的是為太空中的航天器提供能源，解決其能源供應(yīng)問題。2.C*解析：LWET利用高度聚焦的激光束進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的能量傳輸。3.B*解析：燃料電池通過氫氣和氧氣的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，屬于化學(xué)能儲(chǔ)能。4.C*解析：相比激光系統(tǒng)復(fù)雜的精密指向和跟蹤，微波系統(tǒng)通常結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)指向精度要求較低（但仍需保證對(duì)準(zhǔn)）。5.C*解析：大氣中的氣體和水汽會(huì)對(duì)激光產(chǎn)生吸收和散射，導(dǎo)致能量衰減，從而降低傳輸效率。6.B*解析：太空真空和極端溫度環(huán)境對(duì)電池性能有顯著影響，特別是低溫下的放電性能和循環(huán)壽命。7.D*解析：燃料電池具有高能量密度、高效率、可在微重力下工作且產(chǎn)物為水的優(yōu)點(diǎn)。8.C*解析：接收端需要高效地將接收到的電磁能（光能或微波能）轉(zhuǎn)化為電能，并有效散發(fā)多余熱量，這是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心難點(diǎn)。9.B*解析：太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率受光照強(qiáng)度、溫度等多種因素影響，通常低于直接儲(chǔ)能方式。10.B*解析：能量傳輸效率直接關(guān)系到系統(tǒng)能否有效、經(jīng)濟(jì)地為航天器提供能源，是衡量系統(tǒng)性能的最關(guān)鍵指標(biāo)。二、簡(jiǎn)答題1.激光無線能量傳輸系統(tǒng)的發(fā)射端主要利用高功率激光器產(chǎn)生特定波長(zhǎng)和模式的光束。該光束經(jīng)過準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)（如透鏡或反射鏡）整形，使其具有高方向性和小的發(fā)散角，然后以光輻射的形式將能量發(fā)射到太空中指定位置。2.微波無線能量傳輸系統(tǒng)中，發(fā)射端產(chǎn)生高功率微波信號(hào)，通過天線發(fā)射到空間。接收端（通常是一個(gè)大尺寸的天線陣列或整流陣列）捕獲這些微波能量，將其轉(zhuǎn)化為直流電能（通常通過整流電路實(shí)現(xiàn)），然后通過儲(chǔ)能系統(tǒng)或直接供給航天器負(fù)載。3.燃料電池作為太空儲(chǔ)能介質(zhì)的主要特點(diǎn)包括：極高的理論能量密度、能量轉(zhuǎn)換效率高（接近熱機(jī)效率）、可以在近室溫下啟動(dòng)工作、運(yùn)行過程中無機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件（維護(hù)需求低）、產(chǎn)物主要為水（環(huán)境友好）。4.太空能源傳輸系統(tǒng)需要考慮指向精度，因?yàn)槟芰渴峭ㄟ^高度聚焦的束流（激光或微波）傳輸?shù)?。如果發(fā)射端或接收端的指向發(fā)生偏差，會(huì)導(dǎo)致能量散焦或偏離接收目標(biāo)，從而顯著降低接收功率和傳輸效率，甚至可能對(duì)航天器或地面安全造成影響。5.太空環(huán)境中，儲(chǔ)能系統(tǒng)面臨的主要熱控挑戰(zhàn)包括：充放電過程中產(chǎn)生的熱量需要有效散發(fā)，以避免電池溫度過高導(dǎo)致性能下降或損壞；不同工作模式（充電、放電、休眠）下電池產(chǎn)熱特性不同，需要設(shè)計(jì)智能熱控系統(tǒng)進(jìn)行管理；需要承受空間極端溫度（真空、冷黑、太陽輻照）的變化。6.太空能源無線傳輸技術(shù)的潛在軍事應(yīng)用領(lǐng)域包括：為低軌道衛(wèi)星、無人機(jī)、無人地面/水面平臺(tái)等提供遠(yuǎn)程、持續(xù)的電力供應(yīng)，使其能夠執(zhí)行更長(zhǎng)時(shí)間、更復(fù)雜的任務(wù)；作為無人作戰(zhàn)平臺(tái)的能量補(bǔ)給方式，實(shí)現(xiàn)“免維護(hù)”作戰(zhàn)；為空間對(duì)抗或偵察平臺(tái)提供能源支持。三、計(jì)算題1.解：*初始激光功率密度Pd_initial=發(fā)射功率/(4*π*(傳輸距離*發(fā)散角半徑)2)*發(fā)散角半徑r=發(fā)散角*距離=1mrad*500,000m=500mrad≈0.00088rad*Pd_initial=100,000W/(4*π*(500mrad*500,000m)2)≈100,000/(4*π*(0.00088*500,000)2)W/m2*Pd_initial≈100,000/(4*π*(440)2)W/m2≈100,000/(4*π*193,600)W/m2*Pd_initial≈100,000/(2,442,560*π)W/m2≈100,000/(7,680,000)W/m2≈0.013W/m2*考慮大氣衰減后的接收功率Pr=Pd_initial*(1-衰減率)*Pr=0.013W/m2*(1-0.1%)=0.013W/m2*0.999≈0.012987W/m2*接收端初始激光功率P=接收功率密度*接收面積=0.013W/m2*1m2=0.013W*考慮大氣衰減后的接收功率P'=Pr*接收面積=0.012987W/m2*1m2≈0.013W*考慮光電轉(zhuǎn)換效率后的接收電功率Pe=P'*光電轉(zhuǎn)換效率=0.013W*20%=0.0026W最終結(jié)果：*接收端初始激光功率密度約為0.013W/m2*接收功率約為0.013W*接收端最終獲得的電功率約為0.0026W2.解：*方案A所需能量W=100MJ=100,000Wh*方案A電池質(zhì)量m_A=所需能量/能量密度/效率=100,000Wh/(150Wh/kg/90%)=100,000Wh/(150/0.9Wh/kg)*m_A=100,000/(166.67)kg≈599.97kg*方案B所需能量W=100MJ=100,000Wh*方案B電池質(zhì)量m_B=所需能量/能量密度/效率=100,000Wh/(200Wh/kg/85%)=100,000Wh/(200/0.85Wh/kg)*m_B=100,000/(235.29)kg≈424.78kg*比較結(jié)果：方案B所需質(zhì)量（約425kg）小于方案A（約600kg）。結(jié)論：方案B更優(yōu)。理由：在滿足相同儲(chǔ)能需求（100MJ）和支持相同充放電循環(huán)次數(shù)（5次）的前提下，方案B使用的燃料電池質(zhì)量更輕，有利于減輕航天器整體負(fù)擔(dān)，提高任務(wù)可行性和性價(jià)比。四、論述題優(yōu)勢(shì)：1.能量來源豐富且無污染：太陽能是取之不盡、用之不竭的清潔能源，結(jié)合高效儲(chǔ)能，可提供持續(xù)穩(wěn)定的能源支持。2.減少發(fā)射質(zhì)量：無線能量傳輸避免了為航天器攜帶笨重的化學(xué)燃料或龐大電池組，特別是對(duì)于深空任務(wù)，可顯著降低發(fā)射成本。3.延長(zhǎng)任務(wù)壽命：免去地面頻繁補(bǔ)給的負(fù)擔(dān)，航天器可長(zhǎng)期自主運(yùn)行，執(zhí)行更復(fù)雜的科學(xué)探測(cè)或任務(wù)。4.支持新型航天器構(gòu)型：為自由飛行器、繩系衛(wèi)星、空間機(jī)器人等無需固定著陸點(diǎn)的航天器提供能源，拓展了空間應(yīng)用范圍。5.提高任務(wù)靈活性：可為移動(dòng)中的航天器或難以接近的區(qū)域提供能源，增加了任務(wù)執(zhí)行的靈活性。面臨的挑戰(zhàn)及潛在解決方案：1.大氣衰減與損耗：激光或微波在穿過大氣層時(shí)會(huì)發(fā)生衰減和散射。*解決方案：采用更高功率發(fā)射器、更高效率接收器；研究大氣補(bǔ)償技術(shù)（如自適應(yīng)光學(xué)、動(dòng)態(tài)波前補(bǔ)償）；選擇大氣窗口更寬、衰減更小的傳輸頻段；或考慮近地空間傳輸（大氣影響小）。2.指向精度與穩(wěn)定性：需要發(fā)射端和接收端都具有極高的指向精度和穩(wěn)定性，以維持有效能量傳輸。*解決方案：發(fā)展高精度、高穩(wěn)定性的指向、跟蹤、瞄準(zhǔn)（PTT）系統(tǒng)；采用自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)補(bǔ)償大氣擾動(dòng)；設(shè)計(jì)容錯(cuò)或冗余的跟蹤機(jī)制。3.能量傳輸效率：發(fā)射、傳輸和接收過程中的能量損失較大。*解決方案：提高激光/微波發(fā)射效率和光束質(zhì)量；研發(fā)高轉(zhuǎn)換效率的接收陣列（如整流天線）；優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，減少各環(huán)節(jié)損耗。4.安全性：大功率激光或微波可能對(duì)地面、其他航天器或空間環(huán)境造成安全威脅。*解決方案：采用安全控制機(jī)制（如功率限制、安全距離）；進(jìn)行充分