第一章 大氣物理學

1、空氣動力學基礎（ME、AV）第一章 大氣物理學第二章 空氣動力學第三章 飛行理論第四章 飛機的穩(wěn)定性和操縱性空氣動力學的應用空氣動力學基礎（ME、AV）第一章 大氣物理學第二章 空氣動力學第三章 飛行理論第四章 飛機的穩(wěn)定性和操縱性第一章 大氣物理學1.1 大氣的重要物理參數(shù)1.2 大氣層的構造1.3 國際標準大氣（ISA）1.4 氣象對飛行活動的影響1.5 大氣狀況對飛機機體腐蝕的影響 飛機是在大氣的海洋里航行的飛行器。飛機的空氣飛機是在大氣的海洋里航行的飛行器。飛機的空氣動力、發(fā)動機工作狀態(tài)都與大氣密切相關。動力、發(fā)動機工作狀態(tài)都與大氣密切相關。1.1 大氣的重要物理參數(shù) 大氣主要有三種成

2、分：純大氣主要有三種成分：純干空氣、水蒸氣以及塵埃顆干空氣、水蒸氣以及塵埃顆粒。純干空氣含有粒。純干空氣含有78%78%的氮的氮氣和氣和21%21%的氧氣，余下的的氧氣，余下的1%1%由各種其他氣體組成。由各種其他氣體組成。大氣的組成1.1 大氣的重要物理參數(shù)大氣密度l單位體積內空氣質量，l大氣密度隨高度的增加而減小。Vm1.1 大氣的重要物理參數(shù)大氣溫度l溫度高低表明空氣分子不規(guī)則熱運動平均速度的大小。l在11km以下，隨高度的增加氣溫下降，線性變化。攝氏溫度，華氏溫度和絕對溫度。攝氏溫度/oC華氏溫度/oF絕對溫度/oK在標準大氣壓下，純水的沸點100212373.15在標準大氣壓下，純水

3、的冰點032273.151.1 大氣的重要物理參數(shù)15.27395)32(ckFcTTTTTc攝氏溫度Tf華氏溫度Tk絕對溫度kg/m3hPaKftKmKg/m3對流層平 流 層 (同 溫層)中間層電離層(暖層)溫度1.1 大氣的重要物理參數(shù)1.1 大氣的重要物理參數(shù)大氣壓力l大氣層內空氣的壓強，即單位面積上承受的空氣的垂直作用力?？諝庵亓諝夥肿拥臒徇\動l度量單位標準大氣壓101325Pal大氣壓隨高度增大而減小。1.1 大氣的重要物理參數(shù)粘性l粘性是流體的固有屬性之一。它與物體在介質中的運動密切相關。l流體的粘性是指流體微團間發(fā)生相對滑移相對滑移時產生切向阻力切向阻力的性質。l大氣的粘性主

4、要由于氣體分子不規(guī)則運動造成的。1.1 大氣的重要物理參數(shù)粘性力計算公式：表示橫向速度梯度為1時，在流層單位接觸面積上產生的粘性力。稱為流體的粘度系數(shù)流體的粘度系數(shù)（動力粘度系數(shù)），單位是PaS。SyF)/(1.1 大氣的重要物理參數(shù)不同流體的粘性系數(shù)各不相同，同一流體的粘性系數(shù)也與溫度有關。l液體的粘性系數(shù)隨溫度的升高而降低液體的粘性系數(shù)隨溫度的升高而降低l氣體的粘性系數(shù)隨溫度的升高而增大氣體的粘性系數(shù)隨溫度的升高而增大實際流體都是有粘性的，沒有粘性的流體稱為理想流體理想流體。1.1 大氣的重要物理參數(shù)液體氣體粘度系數(shù)隨溫度變化情況溫度升高，氣體粘度系數(shù)增大。溫度升高，液體粘度系數(shù)減小。1.

5、1 大氣的重要物理參數(shù)可壓縮性l流體在壓強或溫度改變時，能改變其原來體積及密度的特性。l流體的可壓縮性用單位壓強所引起的體積變化率表示。即在相同壓力變化量的作用下，密度（或體積）的變化量越大的物質，可壓縮性就越大。l空氣的可壓縮性如何體現(xiàn)？在低速飛行時忽略空氣可壓縮性的影響（Ma0.4）ppVV1.1 大氣的重要物理參數(shù)濕度l大氣的潮濕程度，通常用相對濕度來表示。相對濕度指大氣中所含水蒸汽的量與同溫度同溫度下大氣能含有的水蒸汽最大量最大量之比。l溫度越高大氣所能含有的水蒸汽最大量越大。露點溫度：使大氣的相對濕度達到100%時的溫度。l含有水蒸汽的空氣比干空氣密度小。1.1 大氣的重要物理參數(shù)音

6、速l音速是小擾動小擾動在介質中的傳播速度（米/秒）。l音速與傳播介質的可壓縮性有關。可以把音速的大小看成是表示介質壓縮性大小的一個指標。l在同一種介質中，音速的大小只隨介質的溫度而變化，空氣中的音速計算公式：1/2pa)( ,1 .20為絕對溫度TTa 若以氣溫變化為基準，則可將大氣分為對流層、平流層、中間層、電離層、和散逸層等五層。1.2 大氣層的構造kg/m3hPaKftKmKg/m3對流層平 流 層 (同 溫層)中間層電離層(暖層)溫度大氣的分層對流層對流層( (變溫層變溫層) )的特點的特點l對流層的平均高度在地球中緯度地區(qū)約11公里，在赤道約17公里，在兩極約8公里。l在對流層內幾乎

7、包含了全部大氣質量的四分之三。大氣中含有大量的水蒸氣及其它微粒，所以云、雨、雪、雹及暴風等氣象變化也僅僅產生在對流層中。l對流層內不僅有空氣的水平流動，還有垂直流動，形成水平方向和垂直方向的突風。l對流層內的空氣溫度、密度和氣壓隨著高度的增加而下降。在11km以下，每上升1km，溫度下降6.5度。kg/m3hPaKftKmKg/m3對流層平 流 層 (同 溫層)中間層電離層(暖層)溫度大氣的分層平流層平流層( (同溫層同溫層) )的特點的特點l從對流層頂起到離地面約50公里之間稱為平流層。該層下半部（大約20km以下）的空氣溫度幾乎不變，在同一緯度處可以近似看作常數(shù)，常年平均值為攝氏零下攝氏零

8、下56.556.5度度，所以又稱為同溫層。l在平流層中，空氣只有水平方向的流動。幾乎沒有水蒸汽，故沒有雷雨等現(xiàn)象，故得名為平流層?？諝赓|量占整個大氣的四分之一不到。l現(xiàn)代噴氣式客機多在1112km的平流層底層（巡航）飛行。kg/m3hPaKftKmKg/m3對流層平 流 層 (同 溫層)中間層電離層(暖層)溫度大氣的分層中間層、電離層中間層、電離層的特點的特點l中間層的特點中間層從離地面50公里到80公里為止?？諝馐窒”?，溫度隨高度增加而下降?？諝庠诖怪狈较蛴袕娏业倪\動。 l電離層(熱層)的特點中間層以上到離地面800公里左右就是電離層。空氣處于高度的電離狀態(tài)，帶有很強的導電性，能吸收、反射

9、和折射無線電波?？諝鉁囟群芨?，并隨著高度的增加而上升，所以又稱為熱層?？諝饷芏葮O小，聲音已無法傳播。l散逸層大氣層的最外層國際標準大氣是由國際民航組織（ICAO）制定的，它是以北半球中緯度地區(qū)大氣物理性質的平均值為依據，加以適當?shù)男拚⒌摹?.3 國際標準大氣（International Standard Atmosphere）國際標準大氣參數(shù)國際標準大氣具有以下的規(guī)定：l大氣是靜止的靜止的、相對濕度為零相對濕度為零的，潔凈潔凈的完全氣體完全氣體，即服從狀態(tài)方程。l以海平面作為高度計算的起點，即H=0，并且在該處大氣溫度288.15K，或15或59oF大氣壓強1.01325105 帕,標準海

10、壓。大氣密度1.225千克/米3聲速340.29m/s對流層高度11km或36089ft對流層內標準溫度遞減率為，每增加1km溫度遞減6.5，或每增加1000ft溫度遞減2。從11km到20km之間的平流層底部氣體溫度為常數(shù)： -56.5或216.65kRTp國際國際標準大氣標準大氣表表H(千米)T T()a(米/秒)p10-4(牛頓/米2)(千克/米3)105(千克/米秒) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9101112131415161718182030456075 15.0 8.5 2.0 -4.5-11.0-17.5-24.0-30.5-37.0-43.5-50.0-56.5-56

11、.5-56.5-56.5-56.5-56.5-56.5-56.5-56.5-56.5-56.5 40.0 70.0-10.034033633232932532031631230830429929529529529529529529529529529529535537232510.132 8.987 7.948 7.010 6.163 5.400 4.717 4.104 3.558 3.073 2.642 2.261 1.932 1.650 1.409 1.203 1.027 0.785 0.749 0.640 0.546 0.117 0.017 0.0030.00061.2261.1121.0

12、070.9090.8200.7370.6600.5890.5260.4670.4130.3640.3110.2650.2270.1940.1630.1410.1210.1030.0880.0190.0023.910-48.010-51.7801.7491.7171.6841.6521.6191.5861.5521.5171.4821.4471.4181.4181.4181.4181.4181.4181.4181.4181.4181.4181.4181.9122.0471.667國際標準大氣的應用設計飛機時應該按此標準計算飛機的飛行性能，飛機試飛結果也應該換算成標準大氣條件下的結果，以便分析和比

13、較。飛機飛行手冊中列出的飛行性能數(shù)據是在國際標準大氣條件下得出的，要得出實際大氣情況下飛機的飛行性能必須根據實際大氣情況對性能數(shù)據進行修正。這種換算的主要工作是要確定實際大氣和國際標準大氣的溫度偏差（ISA偏差）。ISA偏差是指：某處實際溫度與ISA標準溫度的差值。例1.1：已知某機場場溫20C，機場壓力高度2000英尺。求：機場高度處ISA偏差。解：在壓力高度為2000英尺的機場處，ISA標準溫度應為：T標準=15C（2C/1000ft）2000ft=11C，而實際溫度為：T實際=20C，所以，ISA偏差即溫度差為：ISA偏差= T實際T標準=20C11C=9C，表示為：ISA+9C ISA

14、偏差ISA偏差例2 飛機巡航壓力高度為2000m，該高度處氣溫-6C。求該高度處ISA偏差。解 高度為2000m處的ISA標準溫度應該為T標準=15C（6.5C/1000m）2000m=2C而實際溫度為：T實際=-6C，所以，ISA偏差即溫度差為：ISA偏差= T實際T標準=-6C2C=-8C，表示為：ISA-8C 1.4 氣象對飛行活動的影響陣風對飛機飛行的影響l大氣層中空氣短時間強烈對流產生的擾動稱為陣風。l水平陣風和側向陣風l垂直陣風垂直陣風主要是改變迎角。主要是改變迎角。1.4 氣象對飛行活動的影響穩(wěn)定風場對飛機飛行的影響l逆風起飛著陸l有側風時起飛和著陸側風中的著陸過程航線法進近帶坡度接地低空風切變對飛行的影響l風向和風速在特定方向上的變化稱為風切變風向和風速在特定方向上的變化稱為風切變,一一般特指在短時間、短距離內的變化。包括水平風般特指在短時間、短距離內的變化。包括水平風切變和垂直風切變。切變和垂直風切變。 低空風切變嚴重威脅飛行安全。低空風切變嚴重威脅飛行安全。什么叫風切變1.4 氣象對飛行活動的影響云對飛行的影響l影響視線l積雨云l積冰1.5 大氣狀況對飛機機體腐蝕的影響大氣濕度l大氣濕度對金屬在大氣中的腐蝕有著重要的影響。l大氣污染物質大氣的溫度和溫差l溫差影響比溫度影響大。l一般隨溫度的升高，腐蝕加快。1.5 大