北京航空航天大學(xué)2025年空天智能電推進(jìn)技術(shù)拔尖計劃航空航天維修工程試題考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、名詞解釋（每題3分，共15分）1.航空航天維修工程2.損傷容限3.無損檢測（NDT）4.預(yù)測與健康管理（PHM）5.空天智能電推進(jìn)二、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述航空航天維修工程的主要目標(biāo)及其重要性。2.比較結(jié)構(gòu)修理與無損修復(fù)在航空航天維修中的特點與區(qū)別。3.簡述在軌維修（On-orbitMaintenance）面臨的主要挑戰(zhàn)。4.闡述“視情維修”（Condition-BasedMaintenance,CBM）的基本概念及其優(yōu)勢。三、論述題（每題10分，共30分）1.論述空天智能電推進(jìn)系統(tǒng)對傳統(tǒng)航空航天維修工程帶來的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。2.結(jié)合具體實例，論述可靠性工程在航空航天器全壽命周期管理中的重要作用。3.探討人工智能技術(shù)在提升航空航天維修效率與安全性方面的應(yīng)用前景。四、計算與分析題（共35分）1.某航天器關(guān)鍵部件的失效概率為10^-5次/飛行小時。若該部件的修復(fù)時間（MTTR）為4小時，要求系統(tǒng)平均故障間隔時間（MTBF）達(dá)到10000小時。請計算該部件需要按照何種維修策略（如預(yù)防性維修周期）來維護(hù)？（15分）2.假設(shè)對某電推進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)鍵傳感器進(jìn)行無損檢測，檢測結(jié)果出現(xiàn)誤報（將正常部件判為故障）的概率為2%，漏報（將故障部件判為正常）的概率為5%。已知該傳感器實際發(fā)生故障的概率為1%。若一次檢測發(fā)現(xiàn)該傳感器指示故障，請計算該傳感器確實存在故障的概率。（20分）3.針對一個由三個串聯(lián)工作的子系統(tǒng)組成的航天器子系統(tǒng)（如圖所示，子系統(tǒng)A、B、C故障后系統(tǒng)即失效），已知各子系統(tǒng)的可靠性分別為R_A=0.95,R_B=0.90,R_C=0.98?，F(xiàn)計劃引入一種新型智能診斷技術(shù)，該技術(shù)能將子系統(tǒng)A的故障診斷準(zhǔn)確率提高到99%。請定性分析該技術(shù)對整個航天器子系統(tǒng)可靠性的潛在影響，并簡要說明原因。（不計具體數(shù)值計算，15分）試卷答案一、名詞解釋1.航空航天維修工程:指為確保航空航天器（包括飛機(jī)、航天器及其系統(tǒng)）在其設(shè)計壽命內(nèi)保持安全、可靠、有效運(yùn)行而進(jìn)行的所有技術(shù)活動和管理工作的總稱，涵蓋維修策略規(guī)劃、任務(wù)執(zhí)行、質(zhì)量控制和保障資源管理等環(huán)節(jié)。2.損傷容限:指含損傷的結(jié)構(gòu)在不再發(fā)生損傷擴(kuò)展或保持損傷穩(wěn)定的前提下，仍能安全承載規(guī)定載荷的能力。它允許結(jié)構(gòu)存在一定的初始缺陷或損傷，但對其擴(kuò)展有嚴(yán)格的控制。3.無損檢測（NDT）:指在不損壞被檢對象的前提下，利用聲、光、電、磁、熱等物理原理及其效應(yīng)，探測材料、部件或結(jié)構(gòu)內(nèi)部及表面的缺陷（如裂紋、夾雜、氣孔等）或測量其物理參數(shù)的技術(shù)。4.預(yù)測與健康管理（PHM）:指通過集成信息采集、狀態(tài)監(jiān)測、診斷、預(yù)測、健康評估和剩余壽命估計等技術(shù)，對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實時感知，預(yù)測其未來行為和潛在故障，從而實現(xiàn)優(yōu)化維護(hù)決策和提升系統(tǒng)可靠性的智能運(yùn)維模式。5.空天智能電推進(jìn):指應(yīng)用于航天器和（未來可能）飛機(jī)的，基于電力電子、等離子體物理、材料科學(xué)等技術(shù)的先進(jìn)電推進(jìn)系統(tǒng)，如電漿推進(jìn)、霍爾效應(yīng)推進(jìn)、離子推進(jìn)等，通常具有高比沖、高效率、可控性好等優(yōu)勢，并融合了智能化控制與管理技術(shù)。二、簡答題1.航空航天維修工程的主要目標(biāo)及其重要性:*目標(biāo):(1)確保航空航天器及其系統(tǒng)持續(xù)安全運(yùn)行；(2)保持和恢復(fù)/提升性能；(3)延長使用壽命；(4)保障任務(wù)成功；(5)控制維修成本；(6)遵守適航法規(guī)。*重要性:(1)安全:直接關(guān)系到飛行人員和公眾的生命安全；(2)可靠性與性能:維持系統(tǒng)功能，確保任務(wù)達(dá)成；(3)經(jīng)濟(jì)性:合理的維修策略能優(yōu)化資源投入，降低全壽命周期成本；(4)合規(guī)性:滿足嚴(yán)格的適航和法規(guī)要求；(5)可持續(xù)性:使昂貴資產(chǎn)得以長期服役，發(fā)揮最大價值。2.比較結(jié)構(gòu)修理與無損修復(fù)在航空航天維修中的特點與區(qū)別:*結(jié)構(gòu)修理:指通過添加材料、改變形狀或更換部件等方式，直接修復(fù)結(jié)構(gòu)損傷或使其恢復(fù)到設(shè)計要求的強(qiáng)度和完整性。特點包括：可能改變結(jié)構(gòu)原始狀態(tài)、涉及材料工藝（如焊接、鉚接）、需要嚴(yán)格的質(zhì)量控制和檢驗。*無損修復(fù):指在不損傷結(jié)構(gòu)主體或其功能特性的前提下，通過填充、粘接、表面處理等方法修復(fù)或緩解損傷。特點包括：不改變結(jié)構(gòu)基本形態(tài)和性能、對原結(jié)構(gòu)損傷小、方法多樣（如復(fù)合材料修補(bǔ)、涂層修復(fù)）、強(qiáng)調(diào)對修復(fù)效果的非破壞性驗證。*區(qū)別:主要在于是否直接改動結(jié)構(gòu)材料或形態(tài)。修理通常指替換或加固，而無損修復(fù)側(cè)重于“修復(fù)”損傷本身而不破壞整體。3.在軌維修（On-orbitMaintenance）面臨的主要挑戰(zhàn):*可達(dá)性與操作難度:航天器姿態(tài)控制、維修工具/航天員的可達(dá)性是主要瓶頸。*環(huán)境惡劣:真空、極端溫度、輻射、微流星體/空間碎片等對維修活動和設(shè)備構(gòu)成威脅。*技術(shù)復(fù)雜性:在軌操作技能要求高，故障診斷和修復(fù)過程復(fù)雜。*安全風(fēng)險:維修活動本身存在高風(fēng)險，如產(chǎn)生空間垃圾、操作失誤導(dǎo)致任務(wù)失敗等。*后勤保障困難:工具、備件、能源等補(bǔ)給困難。*成本高昂:在軌維修的技術(shù)和運(yùn)營成本極高。4.闡述“視情維修”（Condition-BasedMaintenance,CBM）的基本概念及其優(yōu)勢:*基本概念:CBM是一種基于設(shè)備實際狀態(tài)的維修策略，通過在線或離線監(jiān)測技術(shù)獲取設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析其狀態(tài)參數(shù)，當(dāng)參數(shù)超出正常范圍或預(yù)示潛在故障時，再觸發(fā)維修活動。它改變了傳統(tǒng)基于時間或使用量的定期維修方式。*優(yōu)勢:(1)精準(zhǔn)性:維修決策基于實際狀態(tài)，避免不必要的維修，也防止?jié)撛诠收蠍夯?2)經(jīng)濟(jì)性:優(yōu)化維修資源（人力、備件、時間）投入，降低維修成本；(3)可靠性:通過早期干預(yù)，提高設(shè)備可用性和可靠性；(4)預(yù)測性:能夠提前發(fā)現(xiàn)故障苗頭，為預(yù)防性維修提供依據(jù)；(5)適應(yīng)性:可根據(jù)設(shè)備狀態(tài)變化調(diào)整維修計劃。三、論述題1.論述空天智能電推進(jìn)系統(tǒng)對傳統(tǒng)航空航天維修工程帶來的機(jī)遇與挑戰(zhàn):*挑戰(zhàn):(1)技術(shù)復(fù)雜性增加:系統(tǒng)高度集成，包含大量先進(jìn)電子元器件，對維修人員的知識技能要求更高；(2)故障模式新穎:電推進(jìn)系統(tǒng)可能產(chǎn)生傳統(tǒng)化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)不同的故障類型（如等離子體侵蝕、電子器件老化和干擾），需要新的診斷和維修知識；(3)檢測難度加大:內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，非侵入式、高精度無損檢測技術(shù)需求迫切；(4)維修周期縮短和成本上升:高價值部件（如離子源、加速器）的維護(hù)和更換可能更頻繁、成本更高；(5)智能化融合要求:需要維修人員理解并配合PHM系統(tǒng)，具備數(shù)據(jù)分析和系統(tǒng)級思維；(6)環(huán)境適應(yīng)性:維修需考慮太空真空、輻射等環(huán)境因素對電子設(shè)備和人員的影響。*機(jī)遇:(1)PHM應(yīng)用潛力:電推進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)豐富，為PHM技術(shù)提供了絕佳應(yīng)用場景，可實現(xiàn)更智能、高效的預(yù)測性維護(hù)；(2)無損檢測發(fā)展驅(qū)動:對先進(jìn)NDT技術(shù)的需求將推動該領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用；(3)維修理念革新:促進(jìn)維修從計劃性向視情化、智能化轉(zhuǎn)變，提升整體運(yùn)維水平；(4)提升任務(wù)性能:更可靠的電推進(jìn)系統(tǒng)維護(hù)有助于延長航天器壽命、提升任務(wù)成功率；(5)新業(yè)務(wù)領(lǐng)域:可能催生針對電推進(jìn)系統(tǒng)維護(hù)的專門技術(shù)和服務(wù)市場。2.結(jié)合具體實例，論述可靠性工程在航空航天器全壽命周期管理中的重要作用:*可靠性工程貫穿全壽命周期:從設(shè)計、制造、測試、運(yùn)行到維護(hù)、報廢，可靠性工程在每個階段都發(fā)揮著關(guān)鍵作用。*設(shè)計階段:通過可靠性設(shè)計（如冗余、容錯設(shè)計）、可靠性建模與仿真、故障模式影響分析（FMEA）等，從源頭上提高系統(tǒng)固有可靠性，降低后期維修需求和成本。實例:飛機(jī)起落架設(shè)計采用冗余液壓系統(tǒng)，即使一個系統(tǒng)失效，另一個仍能保證安全著陸。*制造與測試階段:通過嚴(yán)格的供應(yīng)商管理和生產(chǎn)過程控制，確保零部件質(zhì)量；通過充分的可靠性試驗（如環(huán)境試驗、壽命試驗），驗證設(shè)計并發(fā)現(xiàn)潛在問題。實例:航天器關(guān)鍵電子元件需經(jīng)過高溫、低溫、振動、輻射等多重環(huán)境測試，確保其在軌可靠性。*運(yùn)行與維護(hù)階段:通過可靠性數(shù)據(jù)分析、維修性設(shè)計、視情維修（CBM）/預(yù)測與健康管理（PHM），實時監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，優(yōu)化維修策略，有效提升系統(tǒng)在役可用性和安全性。實例:飛機(jī)發(fā)動機(jī)通過采集振動、溫度等數(shù)據(jù)，利用PHM系統(tǒng)預(yù)測葉片裂紋，實現(xiàn)視情維修，避免空中停車。*全壽命周期效益:可靠性工程不僅提升飛行安全，還能顯著降低全壽命周期成本（LCC），提高任務(wù)成功率，延長資產(chǎn)使用壽命，是航空航天工程的核心競爭力之一。3.探討人工智能技術(shù)在提升航空航天維修效率與安全性方面的應(yīng)用前景:*智能故障診斷與預(yù)測:AI（特別是機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)）可分析海量傳感器數(shù)據(jù)，識別微弱故障特征，實現(xiàn)更準(zhǔn)確、快速的故障診斷和早期故障預(yù)警，甚至預(yù)測剩余壽命（RUL）。前景:相比人工經(jīng)驗，AI能處理更復(fù)雜模式，提高預(yù)測精度，為CBM提供強(qiáng)大支撐。*自動化維修決策與規(guī)劃:AI可基于維修歷史、部件狀態(tài)、資源可用性、成本等多維度信息，智能推薦最優(yōu)維修方案（如維修順序、備件選擇、維修資源調(diào)度）。前景:提高維修計劃效率和資源利用率，減少人為決策失誤。*增強(qiáng)現(xiàn)實（AR）與機(jī)器人輔助維修:AI驅(qū)動的AR技術(shù)可為維修人員提供實時指導(dǎo)、遠(yuǎn)程專家支持和虛擬工具，降低維修難度和出錯率。結(jié)合機(jī)器人技術(shù)，可實現(xiàn)復(fù)雜、危險或重復(fù)性維修任務(wù)的自動化操作。前景:提升維修的智能化水平和安全性，尤其適用于空間站等復(fù)雜場景。*維修知識管理與傳承:AI可用于構(gòu)建智能化的維修知識庫，將專家經(jīng)驗結(jié)構(gòu)化、智能化，便于知識的檢索、共享和傳承，緩解專家老齡化問題。前景:促進(jìn)維修經(jīng)驗積累和標(biāo)準(zhǔn)化，提升整體維修水平。*數(shù)字孿生（DigitalTwin）應(yīng)用:創(chuàng)建航空航天器或關(guān)鍵系統(tǒng)的數(shù)字孿生體，集成物理實體與虛擬模型，實現(xiàn)狀態(tài)實時映射、故障模擬推演、維修策略仿真驗證。前景:提供更全面的系統(tǒng)視圖，支持全生命周期智能運(yùn)維。*總體前景:AI將推動航空航天維修向智能化、自主化、預(yù)測化方向發(fā)展，顯著提升維修效率、安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，是未來維修領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。四、計算與分析題1.計算維修策略周期:*分析思路:MTBF=MTTF+MTTR。MTTF是平均故障間隔時間，對于可修復(fù)系統(tǒng)，在單位時間內(nèi)期望發(fā)生的故障次數(shù)即故障率λ。故障率通常假設(shè)服從泊松過程。對于預(yù)防性維修（如定期更換），為使平均故障間隔時間達(dá)到目標(biāo)值，通常采用周期性維護(hù)，即每次故障修復(fù)后，運(yùn)行到下一個維護(hù)時間點T才進(jìn)行下一次維護(hù)。此時，要求在時間T內(nèi)的故障次數(shù)期望值接近1。即λT≈1，從而λ≈1/T。將此故障率代入MTBF公式：MTBF=1/λ=T。因此，預(yù)防性維修周期T約等于目標(biāo)MTBF。為了達(dá)到10000小時的MTBF，且考慮到修復(fù)時間MTTR=4小時遠(yuǎn)小于MTBF，可以近似認(rèn)為故障間隔時間主要由故障率決定，因此維修周期T應(yīng)接近10000小時。*計算:λ≈1/10000(次/小時)。T≈1/λ≈10000小時。嚴(yán)格來說，應(yīng)考慮維修時間，但4小時的MTTR遠(yuǎn)小于10000小時MTBF，其對周期影響較小。為簡化，可取T=10000小時。實際應(yīng)用中可能根據(jù)維修窗口、資源等因素略作調(diào)整，但目標(biāo)維修周期應(yīng)設(shè)定在10000小時量級。*結(jié)論:為達(dá)到10000小時的MTBF，該部件的預(yù)防性維修周期可設(shè)定為約10000小時。2.計算傳感器故障概率:*分析思路:應(yīng)用貝葉斯定理。P(故障|檢測故障)=P(檢測故障|故障)*P(故障)/P(檢測故障)。其中，P(檢測故障|故障)是漏報率1-%漏報=95%；P(故障)是先驗概率1%；P(檢測故障)是總檢測為故障的概率，由全概率公式計算：P(檢測故障)=P(檢測故障|故障)*P(故障)+P(檢測故障|正常)*P(正常)。P(檢測故障|正常)是誤報率1-%誤報=98%。*計算:*P(檢測故障)=(0.95*1)+(0.98*(1-1))=0.95+0=0.95。*P(故障|檢測故障)=(0.95*1)/0.95=1。*結(jié)論:在檢測指示故障的情況下，該傳感器確實存在故障的概率為1（根據(jù)題目給定的假設(shè)條件，此結(jié)論顯得有些直接，實際場景中漏報率較低時，誤報仍可能顯著影響診斷結(jié)果）。3.分析智能診斷技術(shù)對系統(tǒng)可靠性的影響:*分析思路:系統(tǒng)由A、B、C串聯(lián)工作，可靠性為R_sys=R_A*R_B*R_C。提高A的診斷準(zhǔn)確率，意味著當(dāng)系統(tǒng)報告A故障時