北京航空航天大學(xué)2025年工科試驗班飛行器設(shè)計畢業(yè)設(shè)計試題及答案考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______試題一假定需要設(shè)計一款用于近地軌道（LEO）商業(yè)遙感任務(wù)的無人衛(wèi)星。請完成以下設(shè)計任務(wù)：1.提出衛(wèi)星的初步總體方案設(shè)計，包括但不限于：選擇合適的軌道高度及類型（如圓形、近圓形）、確定衛(wèi)星基本外形構(gòu)型、預(yù)估衛(wèi)星有效質(zhì)量（包括載荷、平臺及推進系統(tǒng)等）。2.針對所選外形構(gòu)型，進行初步的氣動（或軌道力/阻力）分析。若考慮氣動，需簡述衛(wèi)星在軌道環(huán)境下的主要氣動干擾因素；若考慮軌道力/阻力，需分析其主要來源及其對軌道維持的影響。說明選擇分析方法的依據(jù)。3.選擇或設(shè)計衛(wèi)星的主要姿態(tài)確定與控制（ATT/ACT）方案。闡述方案原理，分析其對衛(wèi)星指向精度的要求，并簡述影響姿態(tài)控制性能的關(guān)鍵因素。4.簡述衛(wèi)星熱控制系統(tǒng)所需解決的主要問題，并提出初步的熱控制策略或設(shè)計思路。5.對上述設(shè)計中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)（如軌道設(shè)計、姿態(tài)控制、熱控制等）進行簡要的權(quán)衡與優(yōu)化分析，說明設(shè)計考慮和可能的優(yōu)化方向。試題二考慮一種采用復(fù)合材料主承力結(jié)構(gòu)的飛行器（如某型客機機翼或火箭級間段）。請就其結(jié)構(gòu)設(shè)計進行分析：1.簡述選擇復(fù)合材料作為主要承力結(jié)構(gòu)的原因及其優(yōu)勢。2.闡述復(fù)合材料在飛行器結(jié)構(gòu)中可能面臨的主要設(shè)計挑戰(zhàn)（如制造、連接、損傷容限、環(huán)境適應(yīng)性等），并選擇其中一至兩個挑戰(zhàn)進行詳細說明。3.若需對某關(guān)鍵承力構(gòu)件（如機翼梁或火箭殼體）進行結(jié)構(gòu)分析，請簡述采用有限元方法（FEA）進行分析的主要步驟，包括模型建立、網(wǎng)格劃分、材料屬性定義、邊界條件與載荷施加、求解及結(jié)果解讀等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。4.討論在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計中，如何利用其材料特性（如各向異性、可設(shè)計性）實現(xiàn)輕量化或結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化。5.提出復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)特別關(guān)注的安全與可靠性問題，并簡述相應(yīng)的設(shè)計或驗證方法。試題三設(shè)計一種小型垂直起降（VTOL）無人飛行器（eVTOL），用于城市配送場景。請完成以下設(shè)計任務(wù)：1.確定無人機的總體布局方案（如多旋翼、傾轉(zhuǎn)旋翼等），并說明選擇該方案的理由。簡述其飛行原理。2.分析影響eVTOL垂直起降與懸停性能的關(guān)鍵因素，并對其進行初步估算或分析。3.針對城市配送任務(wù)，討論eVTOL在飛行性能（如航程、載重、速度）、安全性（如冗余設(shè)計、抗干擾能力）及運行效率方面的主要設(shè)計要求。4.簡述eVTOL推進系統(tǒng)（如電動機和旋翼）的設(shè)計需要考慮的關(guān)鍵問題，例如功率密度、效率、可靠性與噪音等。5.比較eVTOL與現(xiàn)有城市配送方式（如地面車輛、傳統(tǒng)直升機）的優(yōu)劣勢，并指出其在未來發(fā)展面臨的主要挑戰(zhàn)。試題四某飛行器（如高超聲速飛行器）需要在高溫氣動加熱環(huán)境下工作。請就其熱防護系統(tǒng)（TPS）進行分析與設(shè)計探討：1.簡述高超聲速飛行器氣動加熱的主要類型及其物理機制。2.介紹三種不同類型的熱防護系統(tǒng)（TPS）原理及其適用場景（如先進熱沉系統(tǒng)、陶瓷熱防護系統(tǒng)、可重復(fù)使用熱防護系統(tǒng)等）。3.分析選擇熱防護材料需考慮的關(guān)鍵性能指標(biāo)（如熱物理性能、結(jié)構(gòu)性能、環(huán)境兼容性等），并舉例說明。4.討論熱防護系統(tǒng)設(shè)計需要考慮的關(guān)鍵因素，例如與飛行器氣動外形的熱管理匹配、結(jié)構(gòu)承載能力、以及著陸安全性等。5.提出一種針對特定高超聲速飛行器構(gòu)型（可自行設(shè)定或基于已知構(gòu)型）的熱防護系統(tǒng)初步設(shè)計思路，包括材料選擇、結(jié)構(gòu)形式和熱管理策略的考慮。試題五現(xiàn)代飛行器設(shè)計越來越強調(diào)多學(xué)科優(yōu)化與系統(tǒng)工程方法。請結(jié)合飛行器設(shè)計實例，論述以下內(nèi)容：1.解釋什么是多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計，并說明其在飛行器設(shè)計中的重要性。2.列舉飛行器設(shè)計中需要進行多學(xué)科優(yōu)化的典型問題或場景，并簡述這些問題的特點。3.描述一種常用的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計方法或流程（如MDO方法分類、關(guān)鍵步驟等）。4.討論在飛行器多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計中，系統(tǒng)建模、約束處理、計算效率以及設(shè)計魯棒性等方面可能遇到的挑戰(zhàn)。5.選擇一個具體的飛行器子系統(tǒng)設(shè)計問題（如氣動外形與結(jié)構(gòu)重量的協(xié)同優(yōu)化、推進系統(tǒng)與氣動性能的匹配優(yōu)化等），簡述應(yīng)用多學(xué)科優(yōu)化方法進行設(shè)計的思路和步驟。試卷答案試題一答案與解析答案：1.總體方案設(shè)計：建議采用近圓形LEO，高度約500-700km。外形構(gòu)型為三軸穩(wěn)定非對稱桁架式結(jié)構(gòu)，包含主載荷艙、服務(wù)艙（含推進、電源、姿態(tài)控制）、太陽帆板和天線。預(yù)估有效質(zhì)量約100-500kg，具體取決于載荷要求。解析思路：考察學(xué)生根據(jù)任務(wù)需求進行初步方案設(shè)計的能力。選擇LEO和圓形軌道是基于商業(yè)遙感任務(wù)對軌道維持成本和覆蓋區(qū)域的需求。外形構(gòu)型選擇需考慮氣動特性、結(jié)構(gòu)承載、載荷安裝、能源獲取和通信等。質(zhì)量預(yù)估需結(jié)合任務(wù)需求和典型衛(wèi)星參數(shù)。2.氣動/軌道力分析：考慮軌道力/阻力。主要來源包括太陽輻射壓、地球非球形引力梯度效應(yīng)和稀薄大氣阻力。這些因素導(dǎo)致軌道衰減，需通過服務(wù)艙的小型推進系統(tǒng)進行定期軌道維持。選擇分析方法依據(jù)是LEO環(huán)境稀薄大氣特性。解析思路：考察學(xué)生對衛(wèi)星環(huán)境及受力分析的掌握。區(qū)分氣動和軌道力/阻力是關(guān)鍵，LEO高度大氣極其稀薄，通常不考慮空氣動力，主要受軌道力影響。答案需列出主要干擾因素及其影響，并說明應(yīng)對措施（軌道維持）。3.姿態(tài)確定與控制：采用基于星敏感器（SunSensor&StarTracker）和執(zhí)行機構(gòu)（反作用飛輪/磁力矩器）的自主姿態(tài)確定與控制系統(tǒng)。指向精度要求優(yōu)于0.1度。關(guān)鍵因素包括傳感器精度、執(zhí)行機構(gòu)帶寬和力矩、環(huán)境干擾（太陽光壓、地磁干擾）及控制系統(tǒng)魯棒性。解析思路：考察姿態(tài)控制基礎(chǔ)知識。需說明典型傳感器和執(zhí)行機構(gòu)類型，明確精度指標(biāo)，并指出影響性能的關(guān)鍵技術(shù)點。體現(xiàn)對姿態(tài)控制系統(tǒng)基本原理和挑戰(zhàn)的理解。4.熱控制：主要問題是如何將衛(wèi)星表面吸收的太陽輻射和內(nèi)部電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量有效散逸到外太空。初步策略包括采用多層隔熱（MLI）材料、熱管將熱量傳輸至熱沉（如散熱翼），并利用被動式熱控表面（如可調(diào)反射面）調(diào)節(jié)入射熱量。解析思路：考察熱控系統(tǒng)基礎(chǔ)知識。需識別熱控目標(biāo)（散熱），分析主要熱源（太陽、電子設(shè)備），并提出相應(yīng)的被動和主動熱控措施。體現(xiàn)對熱控基本原理和方法的掌握。5.權(quán)衡與優(yōu)化分析：軌道設(shè)計需權(quán)衡覆蓋范圍、訪問時間和燃料消耗。姿態(tài)控制需在精度、響應(yīng)速度和功耗間權(quán)衡。熱控需在有效散熱與結(jié)構(gòu)重量、功耗間權(quán)衡。優(yōu)化方向可考慮軌道優(yōu)化算法、高效姿態(tài)控制律設(shè)計、輕量化熱管或散熱器等。解析思路：考察系統(tǒng)權(quán)衡和優(yōu)化的能力。要求學(xué)生認識到設(shè)計中各環(huán)節(jié)的相互制約關(guān)系，并能提出具體的權(quán)衡點和潛在的優(yōu)化方向，體現(xiàn)系統(tǒng)思維和工程優(yōu)化意識。試題二答案與解析答案：1.選擇原因與優(yōu)勢：復(fù)合材料具有高比強度、高比模量、抗疲勞性好、減重效果顯著、耐腐蝕等優(yōu)點，特別適用于要求輕量化、高承載和耐高溫/腐蝕的飛行器結(jié)構(gòu)。解析思路：考察對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)勢的理解。需列舉并能簡要解釋復(fù)合材料的主要優(yōu)點，并說明這些優(yōu)點為何適用于飛行器結(jié)構(gòu)需求。2.設(shè)計挑戰(zhàn)：*制造連接：復(fù)合材料制造工藝復(fù)雜（如固化過程控制），連接技術(shù)（尤其是與金屬連接）需特殊處理以保證結(jié)構(gòu)完整性和性能。*損傷容限：復(fù)合材料損傷（如分層、基體開裂）不易發(fā)現(xiàn)，且損傷可能累積擴展，影響結(jié)構(gòu)安全和使用壽命。解析思路（選擇制造連接）：考察對復(fù)合材料制造和連接難點認識。需指出制造過程中的關(guān)鍵控制點和連接時需解決的問題，如應(yīng)力集中、界面結(jié)合質(zhì)量等。選擇損傷容限并作詳細說明，需闡述損傷類型、檢測困難性及其對結(jié)構(gòu)安全的影響。3.FEA分析步驟：（1）建立幾何模型，考慮復(fù)合材料各向異性；（2）定義材料屬性（彈性模量、泊松比、剪切模量、慣量積等），通常采用層合板模型；（3）劃分網(wǎng)格，注意網(wǎng)格質(zhì)量，特別是應(yīng)力集中區(qū)域；（4）施加邊界條件和載荷（如氣動載荷、重力、溫度載荷）；（5）選擇求解器進行求解；（6）后處理，分析應(yīng)力、應(yīng)變、位移、屈曲等結(jié)果，進行評估。解析思路：考察有限元分析方法在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。需列出標(biāo)準FEA流程，并強調(diào)復(fù)合材料分析中的關(guān)鍵點：模型幾何、材料定義（層合板）和網(wǎng)格劃分。體現(xiàn)對FEA基本原理和復(fù)合材料特性結(jié)合的理解。4.輕量化與性能優(yōu)化：利用復(fù)合材料可設(shè)計性，通過優(yōu)化鋪層順序和角度，實現(xiàn)特定方向上的高強度或高剛度，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化。利用其各向異性，使材料性能方向與主要載荷方向一致，提高材料利用率。利用其耐高溫性設(shè)計高溫部件，優(yōu)化熱防護。解析思路：考察利用復(fù)合材料特性進行優(yōu)化的能力。需說明如何利用各向異性、可設(shè)計性實現(xiàn)輕量化和性能提升，給出具體的設(shè)計思路或方法示例。5.安全與可靠性問題及方法：主要問題包括材料性能分散性、制造過程質(zhì)量控制、損傷檢測與評估、長期服役環(huán)境適應(yīng)性（如輻照、濕熱）。驗證方法包括嚴格的材料合格證測試、制造過程監(jiān)控、無損檢測（NDT）、結(jié)構(gòu)靜動態(tài)測試、環(huán)境模擬試驗、以及基于可靠性的設(shè)計方法（如故障模式與影響分析FMEA）。解析思路：考察對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)安全與可靠性問題的關(guān)注。需列舉關(guān)鍵問題和影響可靠性的因素，并針對這些問題提出相應(yīng)的檢測、驗證或設(shè)計方法，體現(xiàn)對工程實踐安全性的認識。試題三答案與解析答案：1.總體布局與原理：選擇傾轉(zhuǎn)旋翼（Tilting-Disk/Tilting-Wing）方案。該方案結(jié)合了直升機的垂直起降能力和固定翼飛機的高速巡航效率。飛行原理通過旋轉(zhuǎn)翼盤提供垂直升力，通過傾轉(zhuǎn)翼盤/翼面改變推力方向，實現(xiàn)水平飛行。解析思路：考察對eVTOL不同構(gòu)型特點的理解和方案選擇能力。需比較多旋翼、傾轉(zhuǎn)旋翼、傾轉(zhuǎn)翼等方案的優(yōu)缺點（如垂直起降性能、巡航效率、噪音、復(fù)雜性、成本），并說明選擇傾轉(zhuǎn)旋翼的理由及其工作原理。2.垂直起降與懸停性能影響因素：關(guān)鍵因素包括旋翼/翼盤的升力特性、功率密度（電機/電池性能）、重量分布、氣動干擾（尾流）、控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和精度、以及地效（地面效應(yīng)）。解析思路：考察對VTOL飛行基礎(chǔ)知識的掌握。需列舉影響垂直升力和懸停穩(wěn)定性的主要因素，并簡要說明其物理意義或影響方式。3.設(shè)計要求：航程需滿足單次配送需求（如10-20km），載重需適應(yīng)配送貨物品類（如幾公斤到幾十公斤），速度需滿足時效性（如50-100km/h），安全性需高冗余設(shè)計（如多旋翼備份、飛行控制冗余），運行效率需考慮起降時間和交通流量整合。還需考慮噪音、空域管理和公共接受度。解析思路：考察對城市配送場景下eVTOL需求的理解。需結(jié)合實際應(yīng)用場景，從性能、安全、效率等多個維度提出關(guān)鍵設(shè)計要求。4.推進系統(tǒng)關(guān)鍵問題：功率密度是核心挑戰(zhàn)，需在有限的重量和體積內(nèi)集成高性能電機和旋翼/翼面。推進效率影響續(xù)航里程?？煽啃灾陵P(guān)重要，需考慮電機、電池、傳動鏈的故障率和壽命。噪音水平直接影響城市運行可行性和公共接受度，是設(shè)計需重點控制的因素。解析思路：考察對eVTOL推進系統(tǒng)核心技術(shù)的關(guān)注。需指出功率密度、效率、可靠性和噪音是推進系統(tǒng)設(shè)計的重點和難點，并稍作解釋。5.優(yōu)劣勢與挑戰(zhàn)：優(yōu)勢：垂直起降無需跑道，可利用現(xiàn)有建筑頂樓等起降點，穿梭效率高，可覆蓋地面交通難以到達的區(qū)域。劣勢：初期成本高，噪音較大，技術(shù)復(fù)雜性高，空域管理和法規(guī)待完善，電池能量密度限制續(xù)航和載重。挑戰(zhàn)：技術(shù)成熟度（特別是長航時、重載、高可靠性）、基礎(chǔ)設(shè)施配套（起降點、充電/維護站）、公共安全與接受度、規(guī)?；a(chǎn)與成本下降。解析思路：考察對eVTOL技術(shù)現(xiàn)狀和未來發(fā)展的宏觀認識。需全面分析其相對于現(xiàn)有方式的優(yōu)劣勢，并指出其面臨的主要技術(shù)、經(jīng)濟、法規(guī)和社會挑戰(zhàn)。試題四答案與解析答案：1.氣動加熱類型與機制：主要類型包括熱傳導(dǎo)、熱對流（稀薄氣體）和氣動輻射。物理機制是飛行器高速（高超音速）與大氣高速相對運動時，空氣被強烈壓縮、摩擦生熱，以及大氣自身熱輻射傳遞給飛行器。解析思路：考察對高超聲速氣動加熱基本概念的理解。需能區(qū)分不同加熱類型，并解釋其形成的物理基礎(chǔ)，特別是壓縮和摩擦生熱。2.熱防護系統(tǒng)類型與原理：*先進熱沉系統(tǒng)：利用吸熱材料（如液氫、金屬泡沫）吸收并散走熱量，通過散熱器向空間散熱。適用于熱流相對較低或?qū)釠_擊敏感的場合。*陶瓷熱防護系統(tǒng)（CPS）：由高溫陶瓷材料（如碳基、硅基陶瓷）制成，直接承受極高熱流，通過輻射和傳導(dǎo)散熱。適用于極高熱流環(huán)境（如再入大氣層）。*可重復(fù)使用熱防護系統(tǒng)：通常結(jié)合了CPS和熱沉原理，設(shè)計能承受多次再入的耐高溫結(jié)構(gòu)，常用于航天器返回艙。解析思路：考察對幾種典型TPS原理和適用性的了解。需說明每種系統(tǒng)的基本工作方式、材料選擇和主要應(yīng)用場景。3.熱防護材料性能指標(biāo)：熱物理性能（高比熱容、高熱導(dǎo)率有助于吸收和傳導(dǎo)熱量）、結(jié)構(gòu)性能（高高溫強度、抗熱震性）、環(huán)境兼容性（抗輻照、抗燒蝕、與結(jié)構(gòu)材料相容）、低密度和低熱發(fā)射率（有助于散熱）。解析思路：考察選擇熱控材料時需考慮的關(guān)鍵因素。需列舉并能解釋各項指標(biāo)的意義，說明它們?yōu)楹螌PS材料至關(guān)重要。4.熱防護系統(tǒng)設(shè)計考慮因素：熱管理匹配：TPS必須與氣動外形協(xié)調(diào)，避免局部熱過載，并考慮外形對散熱的影響。結(jié)構(gòu)承載：TPS本身需足夠堅固，并能承受飛行中的氣動力和振動。著陸安全性：對于可重復(fù)使用飛行器，TPS需在著陸沖擊下保持完好。還需考慮成本、可制造性、維護性。解析思路：考察系統(tǒng)設(shè)計中的綜合權(quán)衡能力。需指出熱控、結(jié)構(gòu)、使用（著陸）等多個方面的設(shè)計關(guān)注點，體現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計的全局觀念。5.初步設(shè)計思路（示例）：針對某高超聲速飛行器，可采用復(fù)合式TPS。主體結(jié)構(gòu)采用輕質(zhì)高強復(fù)合材料，包裹先進熱沉材料（如金屬泡沫夾芯）以吸收大部分熱量，并通過內(nèi)部熱管將熱量傳導(dǎo)至尾部大型散熱翼（如羽狀散熱器），利用高發(fā)射率涂層向空間輻射散熱。關(guān)鍵區(qū)域（如頭部尖錐）采用碳基陶瓷熱防護瓦。設(shè)計中需重點考慮熱沉與散熱翼的效率匹配、熱管的熱負荷承受能力以及復(fù)合材料在高溫下的性能保持。解析思路：考察提出具體設(shè)計方案的能力。需結(jié)合飛行器類型（高超聲速）和任務(wù)（再入），提出一個包含多種技術(shù)（熱沉、陶瓷、散熱器、熱管）的綜合性TPS方案，并簡述關(guān)鍵設(shè)計考慮，體現(xiàn)一定的設(shè)計深度。試題五答案與解析答案：1.多學(xué)科優(yōu)化定義與重要性：多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計是指將飛行器視為一個復(fù)雜的系統(tǒng)，綜合考慮氣動、結(jié)構(gòu)、推進、控制、熱控等多個學(xué)科（子系統(tǒng)）的相互耦合和影響，通過優(yōu)化算法尋找系統(tǒng)整體性能最優(yōu)（或滿足多目標(biāo)要求）的設(shè)計參數(shù)集。其重要性在于能夠克服傳統(tǒng)串行設(shè)計方法中各環(huán)節(jié)信息傳遞失真和子系統(tǒng)間矛盾的問題，實現(xiàn)全局性能最優(yōu)，縮短研發(fā)周期，降低成本，并更好地滿足復(fù)雜的多目標(biāo)需求。解析思路：考察對多學(xué)科優(yōu)化基本概念的理解。需定義多學(xué)科優(yōu)化，并闡述其與傳統(tǒng)設(shè)計方法的區(qū)別，以及為何在復(fù)雜飛行器設(shè)計中具有重要意義。2.典型多學(xué)科優(yōu)化問題：典型問題包括氣動外形與結(jié)構(gòu)重量的協(xié)同優(yōu)化（尋求氣動效率最高且結(jié)構(gòu)重量最輕的外形）、推進系統(tǒng)與氣動性能的匹配優(yōu)化（如發(fā)動機推力、特性與氣動外形、飛行包線的匹配）、結(jié)構(gòu)布局與系統(tǒng)布置的協(xié)同優(yōu)化（考慮重量、重心、干擾）、飛行控制系統(tǒng)與氣動特性的耦合優(yōu)化等。解析思路：考察識別多學(xué)科優(yōu)化問題的能力。需列舉并能簡要說明幾個典型的飛行器設(shè)計中的多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化場景，體現(xiàn)對設(shè)計復(fù)雜性的認識。3.多學(xué)科優(yōu)化方法流程：常用流程包括：問題定義與目標(biāo)設(shè)定（明確優(yōu)化目標(biāo)、設(shè)計變量、約束條件）、系統(tǒng)建模（建立各學(xué)科子模型及子系統(tǒng)間接口模型）、全局靈敏度分析（識別關(guān)鍵耦合關(guān)系）、優(yōu)化算法選擇（如序列線性規(guī)劃、序列二次規(guī)劃、進化算法等）、設(shè)計空間探索（生成候選解）、分析與評估