北京航空航天大學(xué)2025年工科試驗班飛行器設(shè)計與工程試題解析考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、飛行器在無側(cè)滑直線爬升時，其總空氣動力D與升力L、阻力D的關(guān)系是？請寫出其數(shù)學(xué)表達(dá)式，并簡述表達(dá)式各項的意義。二、簡述跨聲速飛行時，飛行器周圍可能出現(xiàn)哪些主要的氣動現(xiàn)象。并說明這些現(xiàn)象對飛行器的穩(wěn)定性和操縱性可能產(chǎn)生什么影響。三、已知某飛行器翼型在馬赫數(shù)為0.8，攻角為2度時的升力系數(shù)Cl為1.4，阻力系數(shù)Cd為0.025。假設(shè)空氣密度ρ=1.225kg/m3，飛行速度V=240m/s。請計算該翼型在此工況下的升力L和阻力D。四、什么是飛行器的靜穩(wěn)定性？請從飛行器繞其重心的矩平衡角度解釋靜穩(wěn)定性的物理意義。一個靜穩(wěn)定的飛行器，其靜穩(wěn)定度是如何量度的？五、飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計中，為何通常采用復(fù)合材料？請列舉兩種常用的飛行器結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，并簡述其相對于傳統(tǒng)金屬材料的主要優(yōu)缺點。六、簡述飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)（如飛控系統(tǒng)）的基本組成及其在飛行器姿態(tài)控制中的作用。如果姿態(tài)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，可能會導(dǎo)致哪些飛行后果？七、假設(shè)一個飛行器需要從海平面（氣壓標(biāo)準(zhǔn)大氣）爬升到高度為10000米處。請簡述標(biāo)準(zhǔn)大氣模型如何描述該過程中空氣密度ρ、氣壓p和溫度T的變化規(guī)律。并說明這些變化對飛行器氣動性能和發(fā)動機(jī)性能可能產(chǎn)生的影響。八、什么是翼身組合體的氣動干擾效應(yīng)？請以翼身組合體在側(cè)滑狀態(tài)下為例，說明干擾升力（或側(cè)力）是如何產(chǎn)生的，并簡述其與單獨翼型和單獨機(jī)身氣動特性之間的關(guān)系。九、對于高超聲速飛行器，其氣動加熱問題比低速或超聲速飛行器更為嚴(yán)重。簡述高超聲速氣動加熱的主要類型（至少兩種），并說明它們產(chǎn)生的物理原因。十、設(shè)計一個簡單的飛行器結(jié)構(gòu)節(jié)點連接方案（例如，連接機(jī)翼與機(jī)身），需要考慮哪些主要的工程因素？請至少列舉四項，并簡述其原因。試卷答案一、關(guān)系：D=L+D解析思路：在無側(cè)滑直線爬升狀態(tài)下，飛行器總空氣動力D作用線必然在升力L和阻力D的合力方向上。由于爬升角較小，阻力D方向近似與速度相反，升力L方向近似垂直于速度方向。此時，總空氣動力D的大小近似等于L和D的矢量和。嚴(yán)格來說，D=√(L2+D2+2LDcosθ)，其中θ為升力L與總空氣動力D之間的夾角。但在小迎角爬升時，θ接近90度，cosθ接近1，且L遠(yuǎn)大于D，故近似為D≈L+D。表達(dá)式各項：D為總空氣動力，L為升力，D為阻力。二、主要現(xiàn)象：激波的產(chǎn)生（弱激波或強(qiáng)激波）、跨聲速抖振（氣動彈性振動）。影響：激波的產(chǎn)生會導(dǎo)致氣動阻力顯著增加（波阻），尤其是在接近音速時，可能急劇增大，嚴(yán)重影響飛行器氣動效率；激波位置的變化可能導(dǎo)致氣動中心（CenterofPressure,CP）劇烈移動，破壞飛行器的靜穩(wěn)定性；跨聲速抖振可能對飛行器結(jié)構(gòu)造成疲勞損傷，甚至導(dǎo)致失控。解析思路：跨聲速飛行（馬赫數(shù)Ma在0.8~1.2之間）的特點是飛行器同時存在亞音速和超音速流動區(qū)域。當(dāng)局部氣流速度達(dá)到或超過音速時，激波會形成。激波是壓力、密度、溫度等參數(shù)發(fā)生突變的薄層區(qū)域，是跨聲速流動的關(guān)鍵特征。同時，由于氣流參數(shù)沿機(jī)翼表面劇烈變化，導(dǎo)致氣動力分布發(fā)生劇烈波動，可能引發(fā)機(jī)翼的振動，即跨聲速抖振。這些現(xiàn)象都會顯著影響飛行器的氣動特性、穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)安全性。三、升力L=0.5*ρ*V2*S*Cl=0.5*1.225kg/m3*(240m/s)2*S*1.4=209.2*SN阻力D=0.5*ρ*V2*S*Cd=0.5*1.225kg/m3*(240m/s)2*S*0.025=35.58*SN解析思路：根據(jù)翼型氣動特性參數(shù)的定義公式。升力系數(shù)Cl=L/(0.5*ρ*V2*S)，阻力系數(shù)Cd=D/(0.5*ρ*V2*S)。其中ρ為空氣密度，V為飛行速度，S為翼面積（題目中未給出，故結(jié)果含S），Cl為升力系數(shù)，Cd為阻力系數(shù)。將已知數(shù)值代入公式即可計算得到升力L和阻力D的表達(dá)式。四、靜穩(wěn)定性定義：飛行器繞其重心的力矩變化趨勢。當(dāng)飛行器受到一個微小擾動偏離其平衡狀態(tài)后，如果沒有外力作用，其自身氣動特性產(chǎn)生的力矩能夠使其恢復(fù)到原始平衡狀態(tài)，則稱該飛行器是靜穩(wěn)定的。物理意義：以重心G為矩心，升力L與阻力D的合力（L+D）的作用線相對于G點的位置決定了總空氣動力對G點的矩。對于靜穩(wěn)定的飛行器，當(dāng)飛機(jī)發(fā)生微小迎角變化時，升力作用線會向后移動（對于常規(guī)布局飛機(jī)），產(chǎn)生的恢復(fù)力矩方向與擾動方向相反，使飛機(jī)恢復(fù)原狀。靜穩(wěn)定度通常用靜穩(wěn)定裕度（StaticMargin）來量度，它是焦點F（氣動力合力作用線與機(jī)身縱軸的交點）與重心G之間距離的衡量，GF<0且值越大，靜穩(wěn)定性越好。解析思路：靜穩(wěn)定性是飛行器固有的氣動特性。核心在于擾動后產(chǎn)生的氣動恢復(fù)力矩的符號。如果恢復(fù)力矩與原始擾動方向相反，則系統(tǒng)是靜穩(wěn)定的。靜穩(wěn)定裕度（通常指焦點在重心之前，即負(fù)靜穩(wěn)定裕度）是衡量靜穩(wěn)定程度的一個量化指標(biāo)，裕度越大，穩(wěn)定性越好，但過大的負(fù)穩(wěn)定裕度可能導(dǎo)致操縱過“軟”且反應(yīng)靈敏，對駕駛員操作提出更高要求。五、常用材料：碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）、玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（GFRP）。優(yōu)點：CFRP：密度低、比強(qiáng)度和比模量高（輕質(zhì)高強(qiáng)、高剛度）、抗疲勞性能好、耐腐蝕性好、可設(shè)計性強(qiáng)；GFRP：密度低、比強(qiáng)度較高、成本相對較低、絕緣性好、耐腐蝕性較好。缺點：CFRP：脆性較大、抗沖擊性相對較差（特別是基體）、損傷不易發(fā)現(xiàn)、工藝復(fù)雜、成本高；GFRP：比強(qiáng)度和比模量低于CFRP、耐熱性較差、抗疲勞性能不如CFRP。解析思路：復(fù)合材料之所以廣泛應(yīng)用于飛行器結(jié)構(gòu)，主要是因為其優(yōu)異的輕質(zhì)高強(qiáng)、高剛度特性，有助于減輕結(jié)構(gòu)重量、提高有效載荷、增加航程和機(jī)動性，并改善氣動外形。碳纖維因其更高的強(qiáng)度和剛度而更常用。但復(fù)合材料也具有脆性、抗沖擊性、損傷隱身性、工藝復(fù)雜性及成本高等缺點，需要在設(shè)計和制造中加以考慮。六、基本組成：傳感器（測量姿態(tài)）、計算機(jī)（處理信息、計算指令）、作動器（執(zhí)行指令、產(chǎn)生控制力/力矩）、控制律（算法邏輯）。作用：傳感器感受飛行器實際姿態(tài)，并將信息傳輸給計算機(jī)；計算機(jī)根據(jù)傳感器信息和預(yù)定控制律，計算出需要施加的控制指令；作動器（如舵面、噴氣、電機(jī)等）根據(jù)指令產(chǎn)生力或力矩，作用于飛行器，使其姿態(tài)趨向預(yù)定值或進(jìn)行機(jī)動。飛行后果：如果姿態(tài)控制系統(tǒng)故障，可能導(dǎo)致飛行器無法保持穩(wěn)定姿態(tài)（如搖擺、俯仰、滾轉(zhuǎn)失控），無法執(zhí)行正常的姿態(tài)機(jī)動（如轉(zhuǎn)彎、爬升/下降），無法對準(zhǔn)目標(biāo)，嚴(yán)重時可能引發(fā)結(jié)構(gòu)過載甚至解體，危及飛行安全。解析思路：飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)是典型的反饋控制系統(tǒng)。其基本流程是“測量-比較-決策-執(zhí)行”。各組成部分協(xié)同工作，實現(xiàn)精確的姿態(tài)控制和機(jī)動能力。一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障，如傳感器失效、計算機(jī)程序錯誤、作動器失靈等，都會中斷這個閉環(huán)控制過程，導(dǎo)致飛行器失去姿態(tài)控制能力，出現(xiàn)不希望的姿態(tài)運(yùn)動，嚴(yán)重影響飛行性能和安全性。七、標(biāo)準(zhǔn)大氣模型描述：高度增加，氣壓p按指數(shù)規(guī)律下降：p=p?*exp(-h/H)，其中p?為海平面標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，H為尺度高度。高度增加，溫度T先下降后上升：在11km高度以下，溫度T隨高度線性下降（lapserate≈-6.5K/km），在11km至20km之間溫度保持不變（T?≈-56.5K），在20km以上溫度再次隨高度線性上升（lapserate≈+0.001K/m）?？諝饷芏圈央S氣壓和溫度的變化而變化：ρ=p/(R*T)，其中R為氣體常數(shù)。因此ρ隨高度增加而指數(shù)下降，具體下降率還與溫度變化有關(guān)。影響：空氣密度減小導(dǎo)致升力減小、阻力減小，但升力減小更顯著，導(dǎo)致飛機(jī)需要更高速度維持升力，失速速度增加；同時，推力（若為螺旋槳飛機(jī)）或需要更大飛行速度維持推力（若為噴氣機(jī)）以克服減小了的阻力。溫度變化也影響空氣密度和飛行器性能。解析思路：標(biāo)準(zhǔn)大氣模型是對大氣物理參數(shù)（壓強(qiáng)、溫度、密度等）隨高度變化規(guī)律的理論簡化。它基于一系列假設(shè)，定義了標(biāo)準(zhǔn)大氣層結(jié)構(gòu)（對流層、平流層等）中各層參數(shù)的變化關(guān)系。理解這些變化規(guī)律對于分析飛行器在不同高度的性能至關(guān)重要。密度變化直接影響氣動性能（升力、阻力、推力），溫度變化則通過影響密度和氣體膨脹特性來間接影響性能。八、翼身組合體氣動干擾效應(yīng)：翼身組合體的整體氣動特性（升力、阻力、力矩）與單獨翼型和單獨機(jī)身的氣動特性之和并不相等，存在差異，這種差異稱為氣動干擾。側(cè)滑狀態(tài)下干擾升力（側(cè)力）的產(chǎn)生：當(dāng)翼身組合體在側(cè)滑狀態(tài)下飛行時，機(jī)身的側(cè)力會通過連接點對機(jī)翼施加一個附加的側(cè)向力和一個附加的滾轉(zhuǎn)力矩。這個附加的側(cè)向力就是干擾側(cè)力。同時，機(jī)翼的升力也會產(chǎn)生一個附加的側(cè)向力分量，并與機(jī)身側(cè)力疊加。這些附加氣動力導(dǎo)致組合體在側(cè)滑時產(chǎn)生的總側(cè)力大于單獨翼身各自側(cè)力之和。關(guān)系：干擾效應(yīng)使得組合體在側(cè)滑時的側(cè)力、滾轉(zhuǎn)力矩等特性不同于簡單疊加。通常，機(jī)翼的存在會使機(jī)身的側(cè)力系數(shù)略有減小，但同時機(jī)翼也會產(chǎn)生額外的側(cè)力。干擾升力（側(cè)力）的大小和方向取決于翼身連接方式、相對位置、側(cè)滑角、以及翼身各自的幾何外形和氣動特性。解析思路：翼身組合體并非各部件氣動特性的簡單疊加，因為翼身之間存在氣流的相互影響。這種影響稱為氣動干擾。在側(cè)滑這種典型的干擾狀態(tài)下，機(jī)身對機(jī)翼產(chǎn)生附加的氣動力（側(cè)向力和滾轉(zhuǎn)力矩），反之亦然。這些“附加”的氣動力就是干擾效應(yīng)的具體體現(xiàn)，它們改變了組合體整體的側(cè)力、滾轉(zhuǎn)力矩等氣動特性。理解干擾效應(yīng)對于精確預(yù)測和設(shè)計飛行器在側(cè)滑等復(fù)雜狀態(tài)下的氣動性能至關(guān)重要。九、主要類型及原因：熱傳導(dǎo)加熱：高超聲速飛行器高速掠過大氣層時，與大氣分子發(fā)生劇烈摩擦和碰撞，導(dǎo)致空氣被急劇壓縮和加熱，高溫氣體通過熱傳導(dǎo)直接傳遞給飛行器表面。這是最基本的熱量傳遞方式。對流加熱：當(dāng)飛行器表面溫度高于周圍氣體溫度時，高溫氣體密度減小，相對較冷的氣體流過表面，發(fā)生熱量交換，將熱量帶走，形成對流換熱。在再入過程中，特別是在較低高度或迎角較大時較為顯著。輻射加熱：當(dāng)飛行器表面溫度非常高（如2000K以上）時，表面會以熱輻射的形式向外部空間發(fā)射大量熱量。這種輻射能量通常以紅外線的形式傳播，是高超聲速飛行器（特別是熱防護(hù)系統(tǒng)溫度很高時）的重要熱量來源。解析思路：高超聲速飛行器面臨嚴(yán)峻的氣動加熱挑戰(zhàn)，主要是由于極高的飛行速度導(dǎo)致強(qiáng)烈的氣動摩擦和空氣壓縮，使得飛行器表面溫度急劇升高。熱量主要通過熱傳導(dǎo)、對流和輻射三種方式從高溫氣體傳遞到飛行器表面。不同類型的熱量傳遞在不同溫度范圍和飛行條件下起主導(dǎo)作用。熱防護(hù)系統(tǒng)需要針對這幾種傳熱方式設(shè)計，以保護(hù)飛行器結(jié)構(gòu)。十、工程因素及原因：結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度：節(jié)點必須能夠承受連接部件傳遞的各種載荷（拉、壓、彎、扭、剪），并保證連接區(qū)域具有足夠的剛度，防止發(fā)生過大的變形，以免影響飛行器整體性能和氣動外形。輕量化：飛行器結(jié)構(gòu)重量直接影響性能。節(jié)點設(shè)計需在保證足夠強(qiáng)度的前提下，盡可能減輕自身重量，采用合適的材料和結(jié)構(gòu)形式，避免不必要的材料浪費。連接可靠性（疲勞壽命）：節(jié)點是結(jié)構(gòu)中應(yīng)力集中區(qū)域，也是疲勞裂紋的萌生點。設(shè)計時需考慮連接的長期可靠性，保證節(jié)點在循環(huán)載荷作用下有足夠的疲勞壽命，防止發(fā)生