2025年北大航空概论考试题及答案

2025年北大航空概论考试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.下列关于升力产生的描述，正确的是（）A.升力仅由机翼上表面气流加速产生B.伯努利方程适用于所有流速下的升力计算C.升力的本质是气流对机翼的垂直压力差D.迎角增大时，升力系数一定线性增加答案：C2.涡轮风扇发动机的涵道比是指（）A.外涵道空气流量与内涵道空气流量之比B.内涵道空气流量与外涵道空气流量之比C.风扇直径与压气机直径之比D.燃烧室出口温度与进口温度之比答案：A3.后掠翼飞机在高速飞行时的主要优势是（）A.增大临界马赫数，延缓激波产生B.提高低速升力系数，改善起降性能C.降低诱导阻力，提升亚声速巡航效率D.增强横向稳定性，减少滚转力矩答案：A4.飞机失速的根本原因是（）A.飞行速度低于最小平飞速度B.迎角超过临界迎角，附面层严重分离C.发动机推力不足，无法维持升力D.机翼表面结冰导致升力系数下降答案：B5.惯性导航系统（INS）的核心部件是（）A.全球定位卫星接收机B.激光陀螺与加速度计C.大气数据计算机D.飞行管理计算机答案：B6.现代客机广泛使用的“电传飞控”（Fly-by-Wire）系统中，飞行员操纵指令的传递方式是（）A.机械连杆直接传递至舵面B.液压管路传递压力信号C.电信号通过导线传递至飞行控制计算机D.无线电波远程控制舵面答案：C7.下列航空材料中，比强度（强度/密度）最高的是（）A.铝合金（如2024-T3）B.钛合金（如Ti-6Al-4V）C.碳纤维复合材料（CFRP）D.钢合金（如300M钢）答案：C8.适航标准（如FAR-25）中对客机“损伤容限”的要求主要是为了（）A.提高飞机在碰撞中的生存能力B.确保结构在存在初始缺陷时仍能安全使用至下一次检查C.降低维修成本，延长机体寿命D.减少材料用量，实现轻量化设计答案：B9.多旋翼无人机与固定翼无人机相比，最显著的优势是（）A.续航时间长B.飞行速度快C.垂直起降能力D.抗风能力强答案：C10.世界上第一架超声速客机“协和号”退役的主要原因不包括（）A.音爆问题导致航线受限B.燃油效率低，运营成本高C.超声速飞行时客舱噪声过大D.1999年空难后公众信任度下降答案：C二、填空题（每题2分，共20分）1.标准大气中，海平面的气压为__________帕斯卡（保留整数）。答案：1013252.当飞机飞行马赫数接近__________时，机翼表面局部气流速度达到声速，此时的马赫数称为临界马赫数。答案：0.7-0.8（注：具体数值因机翼设计而异，典型值约0.75）3.升力公式L=1/2ρV²SC_L中，C_L称为__________，其大小主要受迎角、机翼形状和__________影响。答案：升力系数；雷诺数4.涡轮风扇发动机的基本组成包括进气道、__________、燃烧室、涡轮和尾喷管，其中__________驱动风扇和压气机。答案：风扇/压气机；高压涡轮5.飞机的重心需位于__________范围内，否则会导致纵向稳定性不足或操纵困难。答案：焦点（气动中心）前后一定6.仪表着陆系统（ILS）通过__________和下滑道信标为飞机提供进近引导，其精度可满足__________类盲降要求（填罗马数字）。答案：航向道；II7.现代大型客机（如波音787）的复合材料用量占结构重量的__________%以上，主要应用于机翼、机身和__________等部件。答案：50；垂尾8.失速迎角是指升力系数达到__________时的迎角，普通客机的失速迎角约为__________度（填数值范围）。答案：最大值；15-209.空客A320系列采用的电传飞控系统通过__________限制飞行员的过度操纵，确保飞行在__________包线内。答案：飞行包线保护；安全10.冯·卡门提出的__________理论为高超声速空气动力学奠定了基础，其与钱学森合作研究的__________问题推动了火箭发动机设计的发展。答案：超声速相似律；热障三、简答题（每题6分，共30分）1.简述附面层分离的原因及对飞行性能的影响。答案：附面层分离的根本原因是气流在逆压梯度区域（如机翼后缘）的动能不足以克服压力差，导致附面层内气流速度降低至零甚至反向。分离会导致升力骤降（失速）、阻力剧增（压差阻力增大），严重时引发飞机失控。2.比较涡轮喷气发动机与涡轮风扇发动机在亚声速巡航时的优缺点。答案：涡轮喷气发动机（涡喷）结构简单，高速（超声速）推力大，但亚声速时燃油效率低（大量能量以高速尾流形式浪费）；涡轮风扇发动机（涡扇）通过外涵道引入额外空气，降低尾流速度，亚声速时推进效率更高、油耗更低，但结构复杂、重量较大，适合民航客机等亚声速长航时场景。3.后掠翼为何能延缓激波的产生？请结合马赫数分解原理说明。答案：后掠翼的弦线与气流方向存在后掠角（Λ），实际作用于机翼的有效马赫数为M_eff=M·cosΛ。当飞行马赫数M接近1时，M_eff小于M，因此机翼表面局部气流达到声速的临界飞行马赫数（M临界）高于平直翼，从而延缓激波产生，降低波阻。4.飞机的稳定性与操纵性之间存在怎样的矛盾？如何通过设计平衡二者？答案：稳定性要求飞机受扰动后能自动恢复原状态（如纵向静稳定要求重心在焦点前），但过高的稳定性会导致操纵时需要更大的舵面偏转，降低操纵性；反之，高操纵性（如放宽静稳定度）可能削弱稳定性，需依赖飞控系统主动干预。现代飞机通过电传飞控系统（如F-16、C919）实现“人工稳定”，在保证操纵性的同时通过计算机实时调整舵面维持稳定。5.简述GPS在航空导航中的应用及主要局限性。答案：应用：提供全球范围的高精度定位（水平精度约1-2米）、测速和授时，支持RNAV（区域导航）、RNP（所需导航性能）等先进导航方式，降低对地面导航台的依赖。局限性：信号易受遮挡（如山区、城市峡谷）或干扰（人为欺骗/压制）；电离层延迟会影响精度（需差分GPS修正）；无法提供高度信息（需结合气压高度表）；军事应用中存在被关闭风险（如SA政策）。四、分析题（每题8分，共24分）1.分析C919客机采用超临界机翼设计的空气动力学考虑。答案：C919作为中短程干线客机，需在亚声速巡航（M=0.78-0.82）时降低阻力、提高效率。超临界机翼的特点是上表面平坦（减少气流加速）、下表面后缘向下弯曲（增加压力恢复）。与传统机翼相比，超临界机翼可将临界马赫数从约0.75提升至0.8以上，延缓激波产生，降低波阻；同时保持较高的升力系数，改善巡航效率（油耗降低约5-8%）。此外，超临界机翼的厚度较大（约12-13%弦长），便于布置机翼内部结构（如油箱、起落架），降低结构重量。2.波音787“梦想客机”的结构重量中50%为复合材料，分析其带来的技术效益与潜在挑战。答案：技术效益：①减重：CFRP密度约1.6g/cm³（远低于铝合金的2.7g/cm³），相同强度下重量减轻20-30%，降低油耗（787比同级别767省油20%）；②抗腐蚀：复合材料无金属腐蚀问题，减少维护成本；③设计灵活性：可整体成型复杂曲面（如一体化机翼壁板），减少紧固件数量（787比777少30000个螺栓），降低制造误差。潜在挑战：①冲击损伤敏感：复合材料受硬物撞击（如工具掉落）可能产生内部分层，需专用检测设备（如超声C扫描）；②修复困难：需在特定温度/压力下固化，现场维修时间长；③成本高：复合材料原材料及加工工艺（如自动铺丝）成本是铝合金的2-3倍。3.F-22“猛禽”战斗机的隐身设计与气动性能之间存在哪些权衡？举例说明。答案：隐身要求飞机表面避免直角反射（如采用菱形机头、倾斜垂尾）、减少凸出物（内置弹舱）、使用吸波材料（RAM），但这些设计可能牺牲气动性能：①菱形机头虽然降低雷达反射面积（RCS），但前缘尖锐导致低速升力系数降低，需通过边条翼增升；②外倾双垂尾（约27度）减少正侧面RCS，但增加诱导阻力（与常规垂尾相比，阻力增加约3%）；③内置弹舱牺牲了外部挂架的灵活性，载弹量受限（F-22仅能携带6枚中距弹+2枚近距弹，低于F-15的12枚）；④吸波涂层增加重量（约占空重的2%），且需频繁维护（每飞行小时维护时间是F-15的2倍）。五、综合题（16分）结合空气动力学、推进系统和材料技术的发展，论述未来高超声速客机（马赫数5-10）面临的核心技术挑战及可能的解决方案。答案：高超声速客机需在5-10马赫下实现安全、经济的客运，面临以下核心挑战及应对思路：1.热管理问题：高马赫数下，空气与机身剧烈摩擦产生高温（马赫5时，机头温度约1000℃；马赫10时超2000℃），普通铝合金（熔点660℃）或钛合金（熔点1668℃）无法承受。解决方案：①采用碳-碳复合材料（C/C，熔点3500℃）或陶瓷基复合材料（CMC，如SiC/SiC，耐温1600℃以上）制造前缘、鼻锥等热端部件；②主动冷却技术（如再生冷却：利用燃料流经蒙皮内部管道吸热，同时预热燃料提高燃烧效率）；③烧蚀材料（如酚醛树脂基复合材料）在高温下分解吸热，保护内部结构。2.推进系统效率：传统涡轮喷气发动机在马赫3以上效率骤降，冲压发动机需马赫2以上预压缩，scramjet（超燃冲压）虽适用于马赫5-15，但低速无法启动。解决方案：采用组合循环发动机（如TBCC，涡轮基组合循环）：低速（0-马赫3）用涡喷/涡扇模式，中速（马赫3-5）用亚燃冲压模式，高速（马赫5+）用超燃冲压模式。需解决不同模式间的平滑过渡（如可调进气道、可变几何喷管）及发动机重量控制。3.气动外形设计：高超声速下，激波阻力占总阻力的70%以上，且升阻比（L/D）急剧下降（马赫5时L/D约4-6，远低于亚声速的15-20）。解决方案：①采用乘波体（Waverider）设计，利用激波作为“升力面”，将高压气流限制在机腹，提高升阻比（理论L/D可达8-10）；②优化机翼/机身融合（BWB，飞翼布局），减少浸润面积，降低摩擦阻力；③采用小展弦比、大后掠角机翼，减小激波阻力。4.结构强度与疲劳：高温环境下材料强度下降（如C/C复合材料在1500℃以上氧化加剧），且高马赫数飞行时需承受周期性热应力（起降时冷却，巡航时加热）。解决方案：①开发抗氧化涂层（如SiC涂层+硼硅酸盐密封层）保护C/C材料；②采用梯度材料（如外层耐烧蚀、内层高强度），减少热应力集中；③基于损伤容限的结构设计，通过有限元仿真预测热疲劳寿命，制定针对性维护周期。5.经济性与适航：高超声速客机需控制研发、制造及运营成本（如燃料消耗是亚声速客机的5-10倍），同时满足适航标准（如音