北京航空航天大學(xué)2025年空天智能電推進(jìn)技術(shù)專業(yè)創(chuàng)新設(shè)計(jì)試題及答案考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______考生須知：1.請(qǐng)將所有答案寫在答題紙上，寫在試卷上無效。2.字跡務(wù)必工整、清晰，便于閱卷老師辨認(rèn)。3.請(qǐng)按題目順序作答，保持卷面整潔。4.考試時(shí)間：180分鐘。一、填空題（每空2分，共20分）1.空間電推進(jìn)系統(tǒng)主要由電源、______、推進(jìn)劑存儲(chǔ)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。2.基于霍爾電場(chǎng)的電推進(jìn)系統(tǒng)，其核心部件是______和加速器，通過霍爾場(chǎng)使離子從______極發(fā)出，加速后推力器產(chǎn)生推力。3.與傳統(tǒng)化學(xué)火箭相比，電推進(jìn)系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)在于______和______。4.離子推進(jìn)器的比沖通常遠(yuǎn)高于化學(xué)火箭，其主要原因是其______高。5.電推進(jìn)系統(tǒng)的效率通常用______來衡量，其定義是單位輸入電能產(chǎn)生的______。6.為了滿足航天器在不同任務(wù)階段的需求，電推進(jìn)系統(tǒng)常采用______或______的配置方式。7.空間環(huán)境對(duì)電推進(jìn)系統(tǒng)的主要威脅包括空間______、原子氧腐蝕和______。8.智能電推進(jìn)系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)對(duì)推進(jìn)過程的______和______，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)性能和任務(wù)自主性。9.電推進(jìn)系統(tǒng)中，功率電子變換器的作用是將航天器主電源的______電能轉(zhuǎn)換為推進(jìn)器所需的高壓直流電。10.小型衛(wèi)星常用的微型電推進(jìn)技術(shù)之一是______電推進(jìn)。二、簡(jiǎn)答題（每題5分，共25分）1.簡(jiǎn)述霍爾電推進(jìn)器產(chǎn)生推力的基本物理過程。2.簡(jiǎn)要說明電推進(jìn)系統(tǒng)需要進(jìn)行熱管理的根本原因。3.簡(jiǎn)述電推進(jìn)系統(tǒng)與航天器電源系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)需要考慮的主要因素。4.簡(jiǎn)要比較霍爾電推進(jìn)器和離子推進(jìn)器在關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)（如比沖、比功率、效率、壽命）上的主要差異。5.什么是電推進(jìn)的智能化？請(qǐng)列舉至少兩種智能電推進(jìn)控制策略。三、論述題（每題10分，共40分）1.論述提高電推進(jìn)系統(tǒng)能量效率的途徑，并分析各種途徑的優(yōu)缺點(diǎn)。2.結(jié)合具體應(yīng)用場(chǎng)景（如小行星采樣返回、地月軌道機(jī)動(dòng)），論述電推進(jìn)系統(tǒng)在任務(wù)設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用挑戰(zhàn)。3.現(xiàn)代航天任務(wù)對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)的可靠性要求越來越高，請(qǐng)論述如何通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)、部件選擇和測(cè)試驗(yàn)證等手段提升電推進(jìn)系統(tǒng)的可靠性。4.以某一種具體的電推進(jìn)技術(shù)（如霍爾電推進(jìn)、脈沖等離子體推進(jìn)等）為例，闡述其關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，并探討可能的解決方案或發(fā)展方向。四、計(jì)算題（共25分）1.某霍爾電推進(jìn)器在地面進(jìn)行測(cè)試，輸入功率為5kW，產(chǎn)生的比沖為2000s，推進(jìn)劑（氙氣）流量為0.1g/s。(1)計(jì)算該推進(jìn)器產(chǎn)生的推力。（假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)重力加速度g0=9.8m/s2）（10分）(2)若該推進(jìn)器用于某軌道修正任務(wù)，需要產(chǎn)生一個(gè)持續(xù)1小時(shí)、大小為0.1N的推力，計(jì)算所需消耗的氙氣總量。（10分）(3)假設(shè)電源系統(tǒng)效率為90%，計(jì)算執(zhí)行上述軌道修正任務(wù)所需的電能消耗。（以kWh為單位）。（5分）五、設(shè)計(jì)思考題（共10分）假設(shè)你正在設(shè)計(jì)一個(gè)用于近地軌道（LEO）小衛(wèi)星軌道維持的霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)。請(qǐng)簡(jiǎn)要闡述你在進(jìn)行概念設(shè)計(jì)時(shí)，需要重點(diǎn)考慮哪些方面？例如，系統(tǒng)功率等級(jí)的選擇依據(jù)、推進(jìn)劑容量確定的方法、軌道動(dòng)力學(xué)分析的需求等。試卷答案一、填空題（每空2分，共20分）1.推進(jìn)器2.霍爾發(fā)生器；陰極3.高比沖；長(zhǎng)壽命4.離子能量高5.能量效率；推力6.多臺(tái)小推力器并聯(lián)；單臺(tái)大推力器7.粒子；輻射8.自適應(yīng)；優(yōu)化9.交流；直流10.磁流體二、簡(jiǎn)答題（每題5分，共25分）1.解析思路：霍爾電推進(jìn)器利用強(qiáng)磁場(chǎng)和直流電場(chǎng)垂直于電子流方向，在陰極附近產(chǎn)生一個(gè)特殊的霍爾電場(chǎng)。該電場(chǎng)將電子聚焦成束，然后電子束穿過中性氣體（如氙氣），發(fā)生電離，產(chǎn)生大量的正離子。這些正離子在電場(chǎng)作用下被加速向陽極運(yùn)動(dòng)，形成離子束流，根據(jù)動(dòng)量守恒定律，對(duì)陰極產(chǎn)生反方向的推力。2.解析思路：電推進(jìn)系統(tǒng)工作時(shí)，電能通過電化學(xué)反應(yīng)或物理過程轉(zhuǎn)化為高能粒子的動(dòng)能（推力），同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的廢熱。這些廢熱如果無法有效散發(fā)，會(huì)導(dǎo)致關(guān)鍵部件（如電源、推進(jìn)器）溫度過高，影響性能、壽命甚至導(dǎo)致系統(tǒng)失效。因此，必須進(jìn)行主動(dòng)或被動(dòng)熱管理，將熱量導(dǎo)出航天器。3.解析思路：匹配設(shè)計(jì)主要考慮：1)功率需求：推進(jìn)器所需的功率等級(jí)必須與航天器可提供的總功率以及電源系統(tǒng)的功率輸出能力相匹配；2)電壓等級(jí)：推進(jìn)器通常需要高壓，電源系統(tǒng)需具備升壓能力；3)功率波動(dòng)：航天器任務(wù)對(duì)功率的需求可能變化，電源系統(tǒng)需能穩(wěn)定調(diào)節(jié)輸出；4)效率：整個(gè)電推進(jìn)系統(tǒng)的能量效率（電源轉(zhuǎn)換效率+推進(jìn)器效率）需盡可能高，以滿足任務(wù)需求。4.解析思路：霍爾電推進(jìn)器：比沖約1000-2000s，比功率較低（幾W-幾十W/kg），效率較高（60-70%），壽命較長(zhǎng)（幾千小時(shí)）。離子推進(jìn)器：比沖遠(yuǎn)高于霍爾（>2000s，可達(dá)數(shù)萬秒），比功率很低（<1W/kg），效率較高（>60%），壽命相對(duì)較短（幾百到幾千小時(shí)）。主要差異在于離子推進(jìn)器通過減速離子獲得極高的比沖，但代價(jià)是比功率低、壽命相對(duì)較短。5.解析思路：智能電推進(jìn)強(qiáng)調(diào)利用傳感器信息、人工智能或先進(jìn)控制算法，實(shí)時(shí)調(diào)整推進(jìn)器的運(yùn)行狀態(tài)（如功率、工作時(shí)間、脈沖寬度等），以適應(yīng)任務(wù)變化、優(yōu)化性能（如最小化燃料消耗）、提高可靠性（如故障診斷與容錯(cuò)控制）。策略可包括：基于模型或模型的預(yù)測(cè)控制、自適應(yīng)控制、模糊邏輯控制、強(qiáng)化學(xué)習(xí)等。三、論述題（每題10分，共40分）1.解析思路：*提高推進(jìn)器效率：采用更高效的推進(jìn)器設(shè)計(jì)（如優(yōu)化電場(chǎng)結(jié)構(gòu)、減少次級(jí)過程損失），提高離子能量利用率。優(yōu)缺點(diǎn)：提升性能，但可能增加復(fù)雜性、成本或降低壽命。*提高電源效率：采用寬禁帶半導(dǎo)體功率器件（如SiC、GaN）、優(yōu)化功率電子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、提高電源轉(zhuǎn)換次數(shù)（如倍壓電路）。優(yōu)缺點(diǎn)：提升性能，但技術(shù)難度和成本較高。*優(yōu)化推進(jìn)劑：選擇能量密度更高的推進(jìn)劑（如氙氣是常用高效推進(jìn)劑，探索其他重離子）。優(yōu)缺點(diǎn)：提升性能，但可能受限于資源可用性或推進(jìn)器兼容性。*減少系統(tǒng)損耗：優(yōu)化系統(tǒng)匹配，減少能量在傳輸、散熱等環(huán)節(jié)的損失。優(yōu)缺點(diǎn)：提升性能，需要系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)。*綜合途徑：最有效的方法是綜合運(yùn)用上述多種途徑，并進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)。2.解析思路：*優(yōu)勢(shì)：高比沖允許使用較少的燃料完成相同軌道變化，顯著降低發(fā)射質(zhì)量；長(zhǎng)壽命可支持長(zhǎng)期任務(wù)或多次軌道機(jī)動(dòng)；高精度控制可實(shí)現(xiàn)精細(xì)軌道調(diào)整。適用于：需要頻繁變軌的小衛(wèi)星、深空探測(cè)（如前往外行星）、引力捕獲、軌道維持（如避免空間碎片）等。*挑戰(zhàn)：比功率低，需要大質(zhì)量、大體積的電源系統(tǒng)；比沖相對(duì)較低，完成大幅度軌道變化仍需較長(zhǎng)時(shí)間；推進(jìn)器功率有限，任務(wù)執(zhí)行速度受影響；對(duì)空間環(huán)境（如原子氧、輻射）較為敏感；技術(shù)成熟度和成本相對(duì)較高。3.解析思路：*系統(tǒng)設(shè)計(jì)：采用冗余設(shè)計(jì)（關(guān)鍵部件備份）、故障隔離設(shè)計(jì)、熱備份或冷備份策略；進(jìn)行嚴(yán)格的接口設(shè)計(jì)和信號(hào)完整性分析；優(yōu)化系統(tǒng)布局，減少干擾。*部件選擇：選用經(jīng)過充分驗(yàn)證、可靠性數(shù)據(jù)良好的成熟部件；對(duì)于關(guān)鍵部件，進(jìn)行嚴(yán)格的環(huán)境（真空、溫度、輻射、振動(dòng)）和壽命測(cè)試篩選；考慮采用新材料、新工藝提高部件可靠性。*測(cè)試驗(yàn)證：進(jìn)行全面的地面測(cè)試，包括模態(tài)測(cè)試、環(huán)境模擬測(cè)試（真空、熱、輻射、振動(dòng)、電磁兼容）、壽命測(cè)試和可靠性試驗(yàn)；在軌進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)、故障診斷與預(yù)測(cè)，并建立快速響應(yīng)機(jī)制。*軟件可靠性：對(duì)控制軟件采用嚴(yán)格的開發(fā)流程、代碼審查、單元測(cè)試、集成測(cè)試和系統(tǒng)測(cè)試，確保軟件無錯(cuò)誤。4.解析思路（以霍爾電推進(jìn)為例）：*關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)：*高電壓電源：需要產(chǎn)生和維持幾十至上百千伏的電壓，對(duì)功率電子器件的耐壓、耐功率要求極高，且需要小型化、輕量化。*高效電源轉(zhuǎn)換：將航天器低壓主電源（如28V）提升至推進(jìn)器所需電壓，電源效率直接影響系統(tǒng)性能。*高溫?zé)峁芾恚和七M(jìn)器陰極工作溫度極高（>2000K），需要高效冷卻技術(shù)（如液冷）；電源轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的大量廢熱也需有效導(dǎo)出。*等離子體與材料相互作用：高溫、高能量密度的等離子體與推進(jìn)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)材料會(huì)發(fā)生侵蝕、濺射、中毒等問題，影響壽命和性能。*精密控制與診斷：需要精確控制電流、電壓，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行；同時(shí)需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)（溫度、電流、電壓、效率），進(jìn)行故障診斷。*解決方案/發(fā)展方向：*采用新型耐高壓、高效率功率器件（SiC,GaN）。*開發(fā)集成化、模塊化的電源系統(tǒng)。*應(yīng)用先進(jìn)的熱管理技術(shù)（如熱管、微通道冷卻）和耐等離子體侵蝕/兼容性材料。*發(fā)展先進(jìn)的控制算法（如自適應(yīng)控制、智能診斷）。*研究更高比沖、更高功率密度的下一代霍爾電推進(jìn)技術(shù)（如雙極式霍爾推進(jìn)器）。四、計(jì)算題（共25分）1.解析思路：根據(jù)動(dòng)量定理，推力F=m_dot*v_e，其中m_dot是推進(jìn)劑質(zhì)量流率，v_e是離子排氣速度。排氣速度v_e可以通過能量方程E_k=0.5*m*v_e^2=q*U得到，即v_e=sqrt(2*q*U/m)，其中q是單個(gè)離子的電荷量（如氙離子q=Ze=+e），U是加速電壓。比沖I_sp=v_e/g0。將比沖公式代入能量方程，得到v_e=I_sp*g0。最后計(jì)算推力F=m_dot*I_sp*g0。計(jì)算過程：(1)v_e=I_sp*g0=2000s*9.8m/s2=19600m/sF=m_dot*v_e=0.1g/s*1e-3kg/g*19600m/s=1.968N(2)總沖量Delta_p=F*t=0.1N*1h*3600s/h=360N*s所需推力沖量等于總沖量，即m_dot*v_e*t=Delta_p所需氙氣量=m_dot*t=Delta_p/v_e=360N*s/19600m/s=0.01836kg=18.36g(3)總能量消耗W=P_in*t/eta=Power*t/eta=5kW*1h/0.9=5.555kWh2.解析思路：（此部分解析已包含在計(jì)算過程注釋中，主要依據(jù)能量方程和推力公式，結(jié)合比沖定義）3.解析思路：電能消耗W=Delta_p/eta=(F*t)/eta。已知推力F、持續(xù)時(shí)間t和電源效率eta，可直接計(jì)算。五、設(shè)計(jì)思考題（共10分）解析思路：設(shè)計(jì)近地軌道小衛(wèi)星軌道維持霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)，需考慮：*功率等級(jí)選擇：根據(jù)任務(wù)需求（如維持特定軌道高度所需的推力大小、壽命要求）和衛(wèi)星平臺(tái)資源（電源功率、質(zhì)量、體積限制），確定合適的霍爾電推進(jìn)器功率等級(jí)（通常為千瓦級(jí)）。*推進(jìn)劑容量確定：估算整個(gè)任務(wù)周期（如設(shè)計(jì)壽命或特定維持時(shí)間）所需的推力沖量，結(jié)合推進(jìn)器比沖和效率，計(jì)算所需氙氣質(zhì)量，并考慮安全裕度，確定推進(jìn)劑儲(chǔ)罐容量。*軌道動(dòng)力學(xué)分析：分析LEO軌道衰減原因（大氣阻力、太陽輻射壓等），預(yù)測(cè)軌道變化趨勢(shì)，計(jì)算維持軌道所需的速度增量（Delta_v）和發(fā)生頻率，為推進(jìn)器工作模式設(shè)計(jì)提供依據(jù)。*推進(jìn)器選型與控制：選擇合適的