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)基礎(chǔ)試題集考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述空天智能電推進(jìn)技術(shù)相較于傳統(tǒng)化學(xué)推進(jìn)的主要優(yōu)勢，并列舉至少三種該技術(shù)所面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。二、在一個理想化的霍爾效應(yīng)推進(jìn)器中，電子以恒定的平均速度\(v_d\)沿平行于磁力線的方向運動，磁場強(qiáng)度為\(B\)。設(shè)電子電荷為\(e\)，等離子體密度為\(n\)。請推導(dǎo)出霍爾效應(yīng)推進(jìn)器產(chǎn)生的推力表達(dá)式，并說明式中各物理量的含義。三、考慮一個由電阻\(R\)、電感\(zhòng)(L\)和直流電壓源\(V_s\)串聯(lián)組成的簡單RL電路。假設(shè)電路已處于穩(wěn)態(tài)，開關(guān)\(S\)在\(t=0\)時刻閉合。請列出描述該電路暫態(tài)過程的微分方程，并說明其初始條件。四、試述電力電子變換器在電推進(jìn)系統(tǒng)中的作用。選擇一種你熟悉的電力電子變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（如Buck、Boost、H橋等），簡述其工作原理，并說明其適用于電推進(jìn)系統(tǒng)中的原因。五、在一個電推進(jìn)系統(tǒng)的功率電子變換器中，使用了IGBT（絕緣柵雙極晶體管）作為功率開關(guān)器件。請說明IGBT的工作原理（以導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)為例）。并簡述在設(shè)計和使用IGBT時需要考慮的主要參數(shù)及其物理意義（至少列舉三個）。六、電推進(jìn)系統(tǒng)中的等離子體與固體表面相互作用（等離子體-壁相互作用，PWI）是一個復(fù)雜的問題。請簡述PWI可能對電推進(jìn)系統(tǒng)性能產(chǎn)生哪些不利影響。為了減輕PWI的負(fù)面效應(yīng)，可以采取哪些工程措施？七、什么是電推進(jìn)系統(tǒng)的比沖？請給出其定義式，并解釋其物理意義。為什么比沖是評價電推進(jìn)系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)之一？八、對于一款用于近地軌道衛(wèi)星的霍爾效應(yīng)電推進(jìn)系統(tǒng)，請簡述其主回路可能包含哪些主要部件，并說明各部件的基本功能。九、在電推進(jìn)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計中，常需要使用PID控制器。請簡述PID控制器的三種控制作用（比例、積分、微分）分別是什么。在電推進(jìn)控制中，選擇PID控制器的優(yōu)勢是什么？也可能遇到哪些問題？十、假設(shè)你正在設(shè)計一款小型電推進(jìn)航天器，需要選擇合適的電源系統(tǒng)。請簡述在選擇電推進(jìn)電源時需要考慮的主要因素有哪些？并說明為什么這些因素至關(guān)重要。十一、請解釋什么是電推進(jìn)系統(tǒng)的效率。一個高效的電推進(jìn)系統(tǒng)需要滿足哪些基本條件？從物理原理上分析，提高電推進(jìn)系統(tǒng)效率的主要途徑有哪些？十二、材料科學(xué)在電推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展中扮演著重要角色。請列舉至少三種在電推進(jìn)關(guān)鍵部件（如加速器、收集器、電源、熱沉等）中使用的特殊材料，并說明選擇這些材料的主要原因。試卷答案一、優(yōu)勢：比沖高、燃料密度低、可調(diào)諧性好、壽命長、維護(hù)少、環(huán)境友好。挑戰(zhàn)：比功率相對較低、啟動時間長、對電網(wǎng)質(zhì)量要求高、系統(tǒng)復(fù)雜度大、效率相對較低（部分系統(tǒng)）、需要先進(jìn)材料。二、推導(dǎo)思路：首先計算單位時間內(nèi)進(jìn)入特定區(qū)域的電子數(shù)量\(nAv_d\)（其中\(zhòng)(A\)為橫截面積）。然后，每個電子在磁場中受到洛倫茲力\(F_B=ev\timesB\)，其平均動量變化率即為力。由于電子流方向與磁場方向垂直，洛倫茲力做功驅(qū)動電子運動，產(chǎn)生的推力\(F\)可表示為力乘以單位時間內(nèi)的電子數(shù)，即\(F=nAv_d(ev\timesB)\)。在特定幾何和磁場配置下，此表達(dá)式可簡化為\(F=\frac{1}{4}ne^2\bar{v}_dAB^2\)（假設(shè)\(\bar{v}_d\)與\(B\)垂直且方向相反）。推力表達(dá)式：\(F=\frac{1}{4}ne^2\bar{v}_dAB^2\)（或其更一般的形式\(F=I^2R_L\)，其中\(zhòng)(I\)是霍爾電流，\(R_L\)是洛倫茲力產(chǎn)生的虛擬電阻）。含義：\(F\)為推力；\(n\)為電子密度；\(e\)為電子電荷；\(\bar{v}_d\)為電子平均漂移速度；\(A\)為橫截面積；\(B\)為磁場強(qiáng)度。三、推導(dǎo)思路：根據(jù)基爾霍夫電壓定律（KVL），閉合瞬間電壓源電壓等于電路中各元件電壓之和。RL電路中，電阻電壓\(V_R=IR\)，電感電壓\(V_L=L\frac{dI}{dt}\)。因此，微分方程為\(V_s=IR+L\frac{dI}{dt}\)。由于\(R\)和\(L\)為常數(shù)，這是一個一階線性非齊次微分方程。微分方程：\(V_s=IR+L\frac{dI}{dt}\)或\(L\frac{dI}{dt}+RI=V_s\)。初始條件：開關(guān)\(S\)閉合前電路處于穩(wěn)態(tài)，電流\(I(0^-)=0\)（假設(shè)電壓源通過一個很大的電阻緩慢充電）。根據(jù)換路定則，開關(guān)瞬間電流不能躍變，故\(I(0^+)=I(0^-)=0\)。四、作用：電力電子變換器是電推進(jìn)系統(tǒng)的核心部件，負(fù)責(zé)將來自主電源（如太陽能電池板或核電源）的電能轉(zhuǎn)換成適合驅(qū)動電推進(jìn)部件（如霍爾效應(yīng)加速器、電熱離子體推進(jìn)器等）所需的特定電壓和電流形式（通常為高頻脈沖直流電）。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇（以Buck變換器為例）：Buck變換器是一種降壓斬波器，結(jié)構(gòu)簡單，由開關(guān)管（如MOSFET）、二極管（或同步整流MOSFET）、電感、電容和負(fù)載組成。工作原理：通過開關(guān)管的高頻開關(guān)動作，控制電感對負(fù)載的充電和放電過程。在開關(guān)導(dǎo)通時，電感存儲能量；在開關(guān)關(guān)斷時，電感釋放能量給負(fù)載和電容，電容起濾波作用，使輸出電壓保持相對穩(wěn)定。原因：電推進(jìn)系統(tǒng)通常需要高電壓、大電流、寬功率范圍的靈活調(diào)節(jié)。電力電子變換器可以實現(xiàn)高效的DC-DC轉(zhuǎn)換，精確控制輸出電壓和電流，滿足電推進(jìn)系統(tǒng)在不同工況下的功率需求，并提高能源利用效率。五、工作原理：導(dǎo)通狀態(tài)：施加正向門極電壓\(V_{GE}\)使IGBT的PNP晶體管（基極-發(fā)射極結(jié)）和NPN晶體管（集電極-發(fā)射極結(jié)）導(dǎo)通。電流從集電極（C）流向發(fā)射極（E），開關(guān)呈低阻態(tài)。此時，驅(qū)動電路只需提供較小的門極電流。關(guān)斷狀態(tài)：施加負(fù)向或零門極電壓\(V_{GE}\)，PNP晶體管的基極-發(fā)射極結(jié)反偏或零偏，失去基極電流，導(dǎo)致PNP晶體管關(guān)斷。同時，NPN晶體管的基極電流也中斷，使其關(guān)斷。此時，集電極只有很小的漏電流，開關(guān)呈高阻態(tài)。主要參數(shù)及物理意義：1.集電極-發(fā)射極最大額定電壓\(V_{CE(max)}\)：IGBT能承受的最大集電極-發(fā)射極間電壓，決定了器件的絕緣水平和應(yīng)用電壓范圍。2.集電極-發(fā)射極最大額定電流\(I_{C(max)}\)（或持續(xù)電流\(I_C(RMS)\)）：IGBT在特定條件下（如散熱、頻率）能連續(xù)通過的最大集電極電流，反映了器件的載流能力。3.開通延遲時間\(t_{d(on)}\)和導(dǎo)通時間\(t_{on})：描述IGBT從接收門極信號到完全導(dǎo)通所需的時間，影響開關(guān)頻率和系統(tǒng)損耗。六、不利影響：1)等離子體成分（如原子、分子、離子、電子）濺射到壁面，污染壁面材料，改變其物理化學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而影響推進(jìn)器性能和壽命。2)等離子體與壁面相互作用產(chǎn)生額外的加熱，可能導(dǎo)致壁溫過高，損壞結(jié)構(gòu)或影響熱控。3)壁面電荷積累可能引發(fā)電位擾動，干擾推進(jìn)器自身的電磁場分布和等離子體特性。4)墻面反射和二次發(fā)射影響等離子體的流場和電荷平衡。減輕措施：1)選擇耐濺射、低發(fā)射、化學(xué)惰性好的高性能材料（如碳化硅SiC、碳纖維復(fù)合材料）。2)優(yōu)化壁面幾何形狀和角度，減少等離子體直接轟擊。3)設(shè)計有效的熱沉系統(tǒng)，將壁面熱量導(dǎo)出。4)采用射頻輔助、偏壓等技術(shù)，中和壁面電荷。5)在關(guān)鍵部位使用防護(hù)涂層。七、定義式：\(I_{sp}=\frac{v_e}{g_0}\)或\(I_{sp}=\frac{\Deltav_{ex}}{g_0}\)，其中\(zhòng)(v_e\)是推進(jìn)劑的排氣速度，\(g_0\)是標(biāo)準(zhǔn)重力加速度（約9.81m/s2），\(\Deltav_{ex}\)是電推進(jìn)系統(tǒng)提供的排氣速度對應(yīng)的反推速度增量。物理意義：比沖表示單位質(zhì)量推進(jìn)劑所能產(chǎn)生的反推速度增量，是衡量電推進(jìn)系統(tǒng)性能的核心參數(shù)之一。它直接關(guān)系到航天器發(fā)射質(zhì)量、軌道轉(zhuǎn)移效率、任務(wù)壽命等關(guān)鍵指標(biāo)。重要性：比沖越高，意味著用相同質(zhì)量的推進(jìn)劑可以獲得更大的速度變化，或者完成相同的速度變化所需的推進(jìn)劑質(zhì)量更少。對于需要頻繁變軌、姿態(tài)機(jī)動或深空探測的任務(wù)，高比沖電推進(jìn)尤為重要。八、主要部件及功能：1.電源系統(tǒng)：將主電源（如太陽能電池板或核電池）的電能轉(zhuǎn)換并穩(wěn)定地輸送給功率電子變換器，提供驅(qū)動電推進(jìn)部件所需的高壓直流電。2.功率電子變換器：對電源提供的直流電進(jìn)行斬波、調(diào)制等處理，生成具有特定電壓波形、頻率和占空比的脈沖功率，用于驅(qū)動電推進(jìn)部件。3.電推進(jìn)部件（如霍爾效應(yīng)加速器）：利用電磁場或電熱效應(yīng)將推進(jìn)劑離子化并加速，產(chǎn)生推力。4.控制系統(tǒng)：接收指令，根據(jù)飛行任務(wù)需求實時控制電推進(jìn)部件的工作狀態(tài)（如電流、電壓、功率），并監(jiān)控系統(tǒng)運行參數(shù)（如溫度、壓力、電流、電壓）。5.推進(jìn)劑系統(tǒng)：儲存、輸送和輸送推進(jìn)劑。6.熱控制系統(tǒng)：管理電推進(jìn)系統(tǒng)運行產(chǎn)生的熱量，將多余熱量散發(fā)到空間或主熱控系統(tǒng)中，保證系統(tǒng)在安全工作溫度范圍內(nèi)運行。九、控制作用：1.比例（P）作用：輸出誤差信號\(e(t)\)的瞬時值與誤差信號成正比。比例項能提供基本的控制力，減小誤差，但可能導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差和超調(diào)。2.積分（I）作用：輸出誤差信號\(e(t)\)的積分值與誤差信號成正比。積分項能消除穩(wěn)態(tài)誤差，但可能導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)變慢和振蕩加劇。3.微分（D）作用：輸出誤差信號\(e(t)\)的導(dǎo)數(shù)（變化率）與誤差信號成正比。微分項能預(yù)測誤差變化趨勢，提前產(chǎn)生控制作用，有助于加快響應(yīng)速度、減少超調(diào)和振蕩，但易受噪聲干擾。優(yōu)勢：PID控制器結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)、魯棒性好，適用于許多電推進(jìn)控制問題，如推力調(diào)節(jié)、姿態(tài)控制、軌道保持等。問題：可能存在穩(wěn)態(tài)誤差、超調(diào)、振蕩、對噪聲敏感、參數(shù)整定困難（尤其對于復(fù)雜系統(tǒng)）等問題。十、主要因素：1.功率需求：航天器任務(wù)所需的總推力和比沖決定了電源必須提供的最大功率和能量密度。2.電源效率：高效率意味著更少的能量損耗和更輕的電源重量，直接關(guān)系到航天器的有效載荷比。3.電源壽命與可靠性：電推進(jìn)系統(tǒng)通常壽命較長，電源必須與之匹配，具有高可靠性和長壽命。4.重量與體積：電源是航天器的重要組成部分，其重量和體積直接影響航天器的發(fā)射成本和有效載荷能力。5.與推進(jìn)劑系統(tǒng)的兼容性：電源的輸出特性（電壓、電流、功率）必須與所選的電推進(jìn)類型和推進(jìn)劑系統(tǒng)相匹配。6.始動特性：電源需要能夠提供足夠的功率使電推進(jìn)系統(tǒng)從零功率或低功率狀態(tài)快速啟動到工作狀態(tài)。7.環(huán)境適應(yīng)性：電源必須能承受航天器運行環(huán)境（溫度、輻射、振動等）的影響。重要性：電源是電推進(jìn)系統(tǒng)的“心臟”，其性能直接決定了整個電推進(jìn)系統(tǒng)的性能、壽命和適用性。選擇合適的電源是電推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。十一、定義：電推進(jìn)系統(tǒng)的效率通常指將輸入的電能轉(zhuǎn)化為有用推力所做的功的比率，或者等效地，指推進(jìn)劑消耗率與輸入功率的比值（\(\eta=\frac{P_{thrust}}{P_{input}}\)或\(\eta=\frac{P_{input}}{m_{propellant}/\tau}\)）?；緱l件：1)高電壓、低電流工作：電推進(jìn)系統(tǒng)通常需要很高的工作電壓和相對較低的電流來產(chǎn)生足夠的電磁場或加熱效應(yīng)，這有利于提高功率密度和效率。2)高推進(jìn)劑利用率（高比沖）：更高的比沖意味著單位能量消耗能產(chǎn)生更大的速度增量，間接提高了系統(tǒng)效率。3)高能量轉(zhuǎn)換效率：包括電源轉(zhuǎn)換效率、推進(jìn)劑能量轉(zhuǎn)換效率（電到等離子體動能、熱能等）以及減少能量損失（如ohmic損耗、輻射損耗、熱耗散等）。主要途徑：1)提高功率電子變換器效率。2)優(yōu)化電推進(jìn)部件設(shè)計，減少ohmic損耗、加速器壁面二次電子發(fā)射損失等。3)采用先進(jìn)的冷卻技術(shù)，減少熱量耗散。4)提高推進(jìn)劑能量轉(zhuǎn)換效率，例如通過優(yōu)化放電參數(shù)。5)減小系統(tǒng)寄生損耗。十二