飛機(jī)性能飛行的大氣環(huán)境

1、1.1 飛行的大氣環(huán)境1.1.1 大氣的根本狀況飛機(jī)在大氣中飛行，大氣的溫度、壓強(qiáng)、密度對(duì)飛機(jī)的飛行性能有重要影響。在不同的經(jīng)度、 緯度、高度三維空間位置 、在不同的季節(jié)和時(shí)刻時(shí)間位置 ，大氣的溫度、壓強(qiáng)、密度會(huì) 有差異，會(huì)有改變。了解這些參數(shù)的差異和改變，對(duì)于分析飛機(jī)的飛行性能具有重要的意義。 大氣的組成空氣由多種氣體分子組成。按體積計(jì)算，氮?dú)饧s占78%，氧氣約占 21%，其余為二氧化碳、水汽、氫、氬、氖、氦等氣體。大氣中水汽的含量對(duì)飛機(jī)的飛行有重要影響。大氣層 大氣層的底界是地表，頂界沒有明顯的自然界限。如果以空氣密度接近于星際氣體密度的高度 作為頂界，高度約為 20003000km 。沿

2、重力方向，大氣層中空氣的密度、壓力、溫度等，差異 非常顯著。通常把大氣分為 5 層: ：對(duì)流層、平流層、中間層、電離層、散逸層。對(duì)流層 高度范圍：底界是地面，頂界隨緯度和季節(jié)而變化。對(duì)流層的厚度，在低緯度地區(qū)平均為 1618km ，中緯度地區(qū)平均為 1012km ，高緯度地區(qū)平均為 89km 。 溫度變化：氣溫隨高度的增加而降低。氣溫影響對(duì)流層厚度。夏季由于氣溫高，厚度要比冬季 大。每天早午晚的氣溫變化也同樣影響對(duì)流層的厚度。大氣密度：受地球引力作用影響，對(duì)流層集中了全部大氣質(zhì)量的 3/4 和幾乎全部的水汽，是天 氣變化最復(fù)雜的層次。平流層高度范圍：位于對(duì)流層之上，頂界擴(kuò)展到 5055km 。

3、 溫度分布：平流層下部常稱為 “同溫層 。隨著高度的增加，氣溫保持不變?yōu)?90K 或略有升高；到 2030km 以上，氣溫升高很快，到平流層頂，氣溫升至 270290K 。平流層的這種氣溫 分布特征同它受地面影響較小和存在大量臭氧有關(guān)。大氣密度：平流層的空氣稀薄，所包含的大氣質(zhì)量約占整個(gè)大氣質(zhì)量的 1/4 左右。 水汽：水蒸汽極少，通常沒有雨、云、霧、雪、雹等天氣現(xiàn)象。 風(fēng)：空氣沒有上下對(duì)流，空氣沿鉛垂方向運(yùn)動(dòng)較弱，所以沒有垂直方向的風(fēng)，只有水平方向的 風(fēng)，而且風(fēng)向穩(wěn)定。這是因?yàn)楦呖盏目諝庀”。\(yùn)動(dòng)時(shí)摩擦力小，當(dāng)大氣層的空氣隨著地球自 傳時(shí)，上層的空氣會(huì)出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，這樣相對(duì)地面來說，就形成水

4、平方向的風(fēng)。 對(duì)飛行的影響：這一層能見度好晴空萬里 ，氣流平穩(wěn)，空氣阻力小，對(duì)飛行有利?，F(xiàn)代噴氣 式客機(jī)多在 1100012000km 的平流層底層飛行，十分平穩(wěn)。中間層高度范圍：高度從 5055km伸展到8085km。溫度變化：隨著高度的增加氣溫下降，頂部氣溫可低至160190K。風(fēng)：空氣在鉛垂方向有強(qiáng)烈運(yùn)動(dòng)。大氣密度：空氣非常稀薄，質(zhì)量?jī)H占大氣質(zhì)量的1/3000。電離層高度范圍：從中間層頂延伸到800km高空?？諝馓幱陔婋x狀態(tài)，由于太陽(yáng)輻射的各種射線和宇宙射線使這一層大氣中的氮氧分子電離成為 離子和自由電子，帶有很強(qiáng)的導(dǎo)電性，能吸收、反射和折射無線電波。某些頻率的無線電波可 以通過電離層沿

5、地球外表的曲面?zhèn)魉?。溫度變化：溫度隨著高度的增加而增加。也稱為熱層或暖層。電離層中含有很多宇宙塵能吸收太陽(yáng)熱量，并且空氣在電離時(shí)也釋放出很多熱量。大氣密度：空氣密度極小，在 700km厚的范圍內(nèi)只占大氣質(zhì)量的0.5%，聲波難以傳播。熱量也難以通過大氣對(duì)流傳播。飛行器的外表溫度只取決于吸收太陽(yáng)輻射熱的多少。散逸層遠(yuǎn)離地面，受地球引力小，大氣分子不斷向星際空間逃逸，空氣極其稀薄。大氣層的溫度結(jié)構(gòu)、密度和壓強(qiáng)變化溫度C地球外表溫度隨季節(jié)和緯度變化H, km7 6 5 43?1溫度'C大氣溫度隨高度、緯度變化地球大氣層的溫度變化地球大氣層的溫度變化規(guī)律第一層：靠近地球外表，是對(duì)流層，溫度隨著高

6、度的增加而降低； 第二層：平流層，溫度在其內(nèi)層局部根本保持不變； 第三層：散逸層，距離外表5080km ，溫度隨著高度升高而下降；第四層：熱電離層，溫度隨著高度增加而升高，在 400km 時(shí)到達(dá) 1000K ，然后保持不變； 第五層：外逸層。 800KM 以外。大氣的壓強(qiáng)變化 受地球引力的影響，靜止大氣的壓強(qiáng)隨著高度增加而降低，可表示為： 微分式：dp/dh=- p g;積分式：p=p0- p gh 流動(dòng)大氣的壓強(qiáng)由兩局部組成：總壓=靜壓 +動(dòng)壓動(dòng)壓也稱速壓：q=0.5 p V2 ( p :流體密度；V:流速) 大氣的密度變化受地球引力的影響，大氣密度隨著高度的增加而降低。 溫度、壓強(qiáng)、密度三

7、者的關(guān)系 溫度、壓強(qiáng)、密度三者之間存在一定的關(guān)系，在同一位置，壓強(qiáng)不變時(shí)，大氣密度隨著溫度的 增加而降低。1.1.3 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大氣 ISA ( International Standard Atmosphere ) 飛機(jī)的飛行離不開大氣，飛機(jī)的性能依大氣數(shù)據(jù)的變化而改變，實(shí)際大氣數(shù)據(jù)變化不定，建立 一個(gè)公共標(biāo)準(zhǔn) 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大氣模型，作為衡量、比擬飛機(jī)性能的依據(jù)。 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大氣中，海平面( H=0 )標(biāo)準(zhǔn)大氣參數(shù) 標(biāo)準(zhǔn)大氣溫度 T0=288.15K ； 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng) p0=101325N/m2 (帕斯卡 )； 標(biāo)準(zhǔn)大氣密度 p 0 =1.225kg/m 3 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大氣中，大氣層的溫度結(jié)構(gòu) 通用式

8、： T=T i +L i (H-H i )T:大氣溫度，單位為KTi:相應(yīng)大氣層下邊界溫度數(shù)值，單位為KLi : 相應(yīng)大氣層溫度隨高度變化率，單位為 K/mi 、Hi :相應(yīng)大氣層下邊界高度數(shù)值，單位為千米對(duì)流層： T =T0 +L0 (H-Hi ) =288.15-0.0065H 對(duì)流層下邊界高度 0千米， i 、Hi =0 同溫層 (內(nèi)平流層 ) ： T =T11 +L11 (H-H 11) =216.65同溫層下邊界高度11千米，i、Hi =11T11 =288.15-0.0065X11= =216.65中平流層：T =T20 +L20H-H 20 =216.65+0.001H-2000

9、0中平流層下邊界高度20千米，i、Hi =20T20 =216.65國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大氣中的大氣壓強(qiáng)兩個(gè)假設(shè)大氣是理想氣體，符合理想氣體的狀態(tài)方程：p= p RT大氣是靜止的，符合靜力學(xué)方程：dp/dH=- p g那么：dp/p=(-g/R)dH/T=(-g/R)dH/T i +L i (H-H i )國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大氣中的大氣密度對(duì)流層內(nèi)內(nèi)平流層(同溫層)中平流層p0H代p = Pne1卡一H 41000RT11二 p20 1-gIRL20+ ±°H -20000T20溫度和壓強(qiáng)隨高度的變化規(guī)律，根據(jù)理想氣體的狀態(tài)方程可以推導(dǎo)出大氣密度隨高度的變 化規(guī)律。對(duì)流層內(nèi)內(nèi)平流層同溫層中平流層P = P 0 1 +-L°H-To-g二 di