2025年大學(xué)《航空運(yùn)動(dòng)》專業(yè)題庫(kù)——航空器材的載荷計(jì)算與飛行分析考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述航空器在地面滑行和空中機(jī)動(dòng)時(shí)，主要承受哪些類型的空氣動(dòng)力載荷？并說(shuō)明其產(chǎn)生的原因。2.解釋應(yīng)力（σ）和應(yīng)變（ε）的定義。它們之間有何關(guān)系（材料力學(xué)中的線性關(guān)系）？3.什么是許用應(yīng)力？確定許用應(yīng)力的主要考慮因素有哪些？4.飛機(jī)在起降階段通常承受較大的載荷，請(qǐng)分析其主要原因。5.簡(jiǎn)述慣性載荷的概念及其在航空載荷分析中的重要性。二、計(jì)算題1.一架輕型飛機(jī)，空機(jī)重量為20000N，滿載燃油重量為5000N，兩名飛行員總重量為1500N，一名乘客重量為1000N。假設(shè)飛機(jī)在水平直線勻速飛行時(shí)，機(jī)翼產(chǎn)生的升力完全平衡機(jī)身重量和所有其他垂直分力。請(qǐng)計(jì)算此時(shí)作用在機(jī)翼上的升力大小。2.假設(shè)某飛機(jī)在以150m/s的速度做水平轉(zhuǎn)彎，轉(zhuǎn)彎半徑為1500m。請(qǐng)計(jì)算此時(shí)飛機(jī)的向心加速度大小，并確定飛機(jī)繞翼尖卷曲產(chǎn)生的等效過(guò)載（G-force）大致是多少？（假設(shè)飛機(jī)重心與翼尖卷曲半徑重合，忽略其他因素影響）3.一根截面為圓形的鋁合金翼梁，直徑d=50mm，長(zhǎng)L=2m。其一端固定，另一端作用有垂直向上的集中載荷F=4000N。請(qǐng)計(jì)算該翼梁固定端的最大拉應(yīng)力。（假設(shè)材料泊松比為0.33，可簡(jiǎn)化計(jì)算）4.某飛機(jī)以250km/h的速度（約69.44m/s）在海拔2000米高度飛行。假設(shè)空氣密度ρ=1.225kg/m3（海平面標(biāo)準(zhǔn)值，需考慮高度修正，但此處題目未明確要求，可近似使用或提示學(xué)生考慮），請(qǐng)估算該速度下飛機(jī)單位面積（1平方米）所受到的空氣動(dòng)力大致是多少？說(shuō)明估算中使用的簡(jiǎn)化假設(shè)。5.飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常考慮疲勞壽命。簡(jiǎn)述循環(huán)載荷和應(yīng)力幅的概念，并解釋為什么即使應(yīng)力未超過(guò)材料的疲勞極限，長(zhǎng)期在應(yīng)力幅作用下結(jié)構(gòu)也可能發(fā)生疲勞破壞。三、分析題1.分析飛機(jī)進(jìn)行大迎角機(jī)動(dòng)（如急盤旋）時(shí)，機(jī)翼和機(jī)身結(jié)構(gòu)可能承受哪些額外的載荷？這些載荷對(duì)飛機(jī)的性能（如極限機(jī)動(dòng)能力）和結(jié)構(gòu)安全有何影響？2.飛機(jī)在著陸滑跑過(guò)程中，除了重力外，哪些因素會(huì)導(dǎo)致機(jī)輪和起落架承受巨大的沖擊載荷？分析這些沖擊載荷對(duì)起落架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和維護(hù)提出的要求。3.飛機(jī)在云中飛行遇到顛簸時(shí)，載荷會(huì)發(fā)生怎樣的變化？這種變化的載荷對(duì)飛機(jī)的操縱性和乘客舒適度可能產(chǎn)生什么影響？飛行員應(yīng)如何應(yīng)對(duì)？4.為什么現(xiàn)代高性能戰(zhàn)斗機(jī)在設(shè)計(jì)中需要特別考慮鳥(niǎo)撞載荷？對(duì)其進(jìn)行載荷分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮哪些特殊因素？5.結(jié)合航空運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)（如輕型飛機(jī)、特定操作如跳傘、近地飛行等），分析其載荷環(huán)境與大型運(yùn)輸機(jī)或客機(jī)相比有哪些顯著不同？這對(duì)航空器材的載荷計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有何特殊要求？試卷答案一、簡(jiǎn)答題1.航空器在地面滑行時(shí)主要承受：地面摩擦力、空氣動(dòng)力（升力、阻力）、慣性力（啟動(dòng)/制動(dòng)）、重力。空氣動(dòng)力產(chǎn)生的原因是空氣與飛機(jī)表面發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生壓力差?？罩袡C(jī)動(dòng)時(shí)主要承受：空氣動(dòng)力（升力、阻力、側(cè)力）、慣性力（包括向心加速度產(chǎn)生的向心力）、重力?？諝鈩?dòng)力產(chǎn)生原因同上，慣性力是物體保持原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的力。2.應(yīng)力（σ）是指單位面積上的內(nèi)力，通常計(jì)算公式為σ=F/A，其中F是作用力，A是受力面積，單位通常是帕斯卡（Pa）或兆帕（MPa）。應(yīng)變（ε）是指物體受力后變形的程度，定義為變形量與原尺寸之比，通常是無(wú)量綱的，ε=ΔL/L?，其中ΔL是變形量，L?是原尺寸。它們之間的關(guān)系在材料力學(xué)線彈性范圍內(nèi)由彈性模量（E）聯(lián)系，即σ=Eε。3.許用應(yīng)力是指材料在保證航空器結(jié)構(gòu)安全可靠的前提下，允許承受的最大應(yīng)力值。確定許用應(yīng)力主要考慮因素包括：材料的極限應(yīng)力（屈服強(qiáng)度或抗拉強(qiáng)度）、安全系數(shù)（考慮計(jì)算誤差、材料不確定性、載荷估計(jì)不足、環(huán)境因素、結(jié)構(gòu)重要性等）、結(jié)構(gòu)的工作條件（溫度、腐蝕等）。4.飛機(jī)在起降階段承受較大載荷主要原因：①速度高，空氣動(dòng)力（升力、阻力）大；②離地/接地瞬間速度變化快，產(chǎn)生較大的慣性載荷和沖擊載荷；③機(jī)動(dòng)性好，可能進(jìn)行較大的轉(zhuǎn)彎或爬升/下降率，導(dǎo)致過(guò)載增大；④重力始終存在且是主要載荷分量之一。5.慣性載荷是指物體因加速度而產(chǎn)生的力。在航空載荷分析中，它對(duì)于飛機(jī)結(jié)構(gòu)在高速飛行、機(jī)動(dòng)、啟動(dòng)、制動(dòng)、顛簸等過(guò)程中的響應(yīng)至關(guān)重要，是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力和變形的重要外力來(lái)源之一，直接影響結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度設(shè)計(jì)。二、計(jì)算題1.升力L=空機(jī)重量+燃油重量+乘員重量+乘客重量=20000N+5000N+1500N+1000N=27500N。2.向心加速度a_c=v2/R=(150m/s)2/1500m=22500m2/s2/1500m=15m/s2。等效過(guò)載g_n=a_c/g=15m/s2/9.81m/s2≈1.52g。3.計(jì)算簡(jiǎn)支梁受集中力作用時(shí)的最大拉應(yīng)力。對(duì)于直徑為d的圓形截面，最大拉應(yīng)力通常出現(xiàn)在靠近固定端的截面上的頂部或底部纖維處。應(yīng)力σ=F*(4*F/π*d2)=4F/πd2=4*4000N/(π*(50mm)2)=16000N/(π*2500mm2)=16000/(2500π)N/mm2≈2.55N/mm2=2.55MPa。（注意：此題假設(shè)為簡(jiǎn)支梁，且拉應(yīng)力分布均勻，實(shí)際固定端可能更復(fù)雜，此為基于截面幾何形狀的簡(jiǎn)化計(jì)算）。4.估算單位面積空氣動(dòng)力F/A=ρ*v2/2=1.225kg/m3*(69.44m/s)2/2≈1.225kg/m3*4821.93m2/s2/2≈1.225kg/m3*2410.97m/s2≈2958N/m2≈2.96kPa。（簡(jiǎn)化假設(shè)：飛機(jī)在地面附近，空氣密度為標(biāo)準(zhǔn)海平面值1.225kg/m3，忽略高度對(duì)密度的影響；速度為250km/h換算的瞬時(shí)值；只考慮氣動(dòng)力，未考慮其他力）。5.循環(huán)載荷是指應(yīng)力在最大值和最小值之間周期性變化的載荷。應(yīng)力幅是指循環(huán)應(yīng)力中的應(yīng)力變化范圍的一半，即(σ_max-σ_min)/2。材料在低于其單向拉伸疲勞極限的應(yīng)力幅作用下，經(jīng)過(guò)足夠多的循環(huán)次數(shù)會(huì)逐漸產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展直至破壞，這就是疲勞破壞。這是因?yàn)樵谘h(huán)應(yīng)力作用下，微觀裂紋容易在應(yīng)力集中處萌生并擴(kuò)展，即使平均應(yīng)力不高，應(yīng)力峰值的交變作用也會(huì)導(dǎo)致累積損傷。三、分析題1.大迎角機(jī)動(dòng)時(shí)，機(jī)翼上表面氣流分離更嚴(yán)重，可能產(chǎn)生更大的升力（但也可能伴隨失速），導(dǎo)致翼根附近產(chǎn)生較大的向上彎曲應(yīng)力。同時(shí)，強(qiáng)烈的側(cè)向氣流（側(cè)滑）會(huì)在機(jī)翼和機(jī)身結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生側(cè)力、扭矩和更大的升力分量，導(dǎo)致剪切應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)變形。機(jī)身結(jié)構(gòu)需要承受更大的側(cè)向力、俯仰和偏航力矩，翼身連接處也承受更大的載荷。這些額外載荷可能接近或超過(guò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)極限，影響飛機(jī)的極限機(jī)動(dòng)能力，并可能引發(fā)結(jié)構(gòu)疲勞或損壞。2.著陸滑跑過(guò)程中的沖擊載荷主要來(lái)源于：①地面不平整引起的沖擊；②飛機(jī)重量在短時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)移和支撐點(diǎn)的變化；③剎車系統(tǒng)產(chǎn)生的巨大摩擦力導(dǎo)致的減速度。這些因素都會(huì)導(dǎo)致起落架結(jié)構(gòu)（支柱、搖臂、輪軸等）承受遠(yuǎn)超靜載荷的動(dòng)載荷和沖擊載荷，對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和韌性提出極高要求，需要進(jìn)行專門的沖擊載荷分析和緩沖設(shè)計(jì)，并需要定期維護(hù)檢查。3.云中顛簸時(shí)，飛機(jī)可能遇到不規(guī)則的氣流脈動(dòng)，導(dǎo)致飛機(jī)快速、無(wú)規(guī)則地改變姿態(tài)和速度，產(chǎn)生突然的、短暫的加速度變化。載荷變化表現(xiàn)為：升力、阻力、側(cè)力、滾轉(zhuǎn)力矩、俯仰力矩、偏航力矩等均會(huì)劇烈波動(dòng)。這種變化的載荷可能使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞損傷，并對(duì)飛行員的操縱控制帶來(lái)困難，降低乘客舒適度。飛行員需要根據(jù)顛簸情況調(diào)整飛行姿態(tài)，保持飛機(jī)穩(wěn)定。4.現(xiàn)代高性能戰(zhàn)斗機(jī)速度高、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，飛行環(huán)境復(fù)雜，更容易在空中遭遇鳥(niǎo)撞。鳥(niǎo)撞可能導(dǎo)致機(jī)體表面損傷、傳感器失效、發(fā)動(dòng)機(jī)損壞甚至結(jié)構(gòu)破壞，危及飛行安全。鳥(niǎo)撞載荷分析需要考慮鳥(niǎo)的質(zhì)量、速度、撞擊角度、鳥(niǎo)的擊中部位（結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn)）以及鳥(niǎo)撞擊時(shí)的能量。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)鳥(niǎo)撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果，在關(guān)鍵部位采用抗鳥(niǎo)撞材料或增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并進(jìn)行鳥(niǎo)撞仿真分析和地面鳥(niǎo)撞測(cè)試。5.航空運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)（如輕型飛機(jī)、短航線、低高度、特定操作）導(dǎo)致其載荷環(huán)境與大型運(yùn)輸機(jī)相比有顯著不同：①飛