第二部分大氣物理學(xué)

1、第二講 大氣物理學(xué)o2.1 大氣的重要物理參數(shù)o2.2 大氣層的構(gòu)造o2.3 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大氣（ISA）o2.4 氣象對(duì)飛行活動(dòng)的影響o2.5 大氣狀況對(duì)飛機(jī)機(jī)體腐蝕的影響氣體動(dòng)力學(xué)的研究對(duì)象和研究方法l氣體動(dòng)力學(xué)是研究可壓縮流體，特別是氣體在流動(dòng)過程中氣體運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律以及氣體與物體之間相互作用的一門科學(xué)。 流體靜力學(xué)流體力學(xué) 可壓縮流體力學(xué) 流體動(dòng)力學(xué) （氣體動(dòng)力學(xué)） 不可壓縮流體力學(xué)氣體動(dòng)力學(xué)的研究對(duì)象和研究方法空氣流經(jīng)飛機(jī)機(jī)身空氣流過發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣道空氣流過槳葉（螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)）燃?xì)饬鬟^尾噴管等力的作用 熱量的交換 機(jī)械功的交換燃?xì)鉁u輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)氣體動(dòng)力學(xué)的研究對(duì)象和研究方法氣體動(dòng)力學(xué)的研究對(duì)

2、象和研究方法飛機(jī)加速通過音障質(zhì)量守恒牛頓第二定律熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第二定律研究方法分為：實(shí)驗(yàn)研究、理論研究和數(shù)值研究氣體動(dòng)力學(xué)的研究對(duì)象和研究方法2.1 大氣的重要物理參數(shù)按體積計(jì)算，氮?dú)?8%，氧氣21%大氣的質(zhì)量和上界大氣的質(zhì)量和上界大氣的總質(zhì)量為大氣的總質(zhì)量為5.35.310101515t t 大氣上界劃分的著眼點(diǎn)：大氣上界劃分的著眼點(diǎn)：1 1、著眼于大氣中的某些物理現(xiàn)象、著眼于大氣中的某些物理現(xiàn)象大氣的物理上界大氣的物理上界：根據(jù)大氣中才有的，在宇宙空間：根據(jù)大氣中才有的，在宇宙空間沒有的物理現(xiàn)象確定的大氣上界，為沒有的物理現(xiàn)象確定的大氣上界，為12001200。2、著眼于大氣密度著

3、眼于大氣密度o密度o溫度o壓力o粘性o壓縮性o濕度o音速2.1 大氣的重要物理參數(shù)2.1 大氣的重要物理參數(shù)o大氣密度n單位體積內(nèi)空氣質(zhì)量，n大氣密度隨高度的增加而減小。Vm2.1 大氣的重要物理參數(shù)o大氣溫度n溫度高低表明空氣分子不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)平均速度的大小。n在11km以下，隨高度的增加氣溫下降，線性變化。2.1 大氣的重要物理參數(shù)o攝氏溫度，華氏溫度和絕對(duì)溫度。攝氏溫度/oC華氏溫度/oF絕對(duì)溫度/oK在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，純水的沸點(diǎn)100212373.15在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，純水的冰點(diǎn)032273.152.1 大氣的重要物理參數(shù)15.27395)32(ckFcTTTToTc攝氏溫度oTf華氏溫度o

4、Tk絕對(duì)溫度2.1 大氣的重要物理參數(shù)o大氣壓力n大氣層內(nèi)空氣的壓強(qiáng)，即單位面積上承受的空氣的垂直作用力。o空氣重力o空氣分子的熱運(yùn)動(dòng)n度量單位o標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101325Pan大氣壓隨高度增大而減小。2.1 大氣的重要物理參數(shù)o粘性n粘性是流體的固有屬性之一。它與物體在介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)。n流體的粘性是指流體微團(tuán)間發(fā)生相對(duì)滑移相對(duì)滑移時(shí)產(chǎn)生切向阻力切向阻力的性質(zhì)。n大氣的粘性主要由于氣體分子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)造成的。粘性流體是不能承受剪切力的，即使在很小的剪切力作用下，流體會(huì)連續(xù)不斷的變形，但是不同的流體在相同作用的剪切力下變形的速度是不同的，也就是不同的流體抵抗剪切力的能力不同，這種能力成為流體的粘

5、性。2.1 大氣的重要物理參數(shù)2.1 大氣的重要物理參數(shù)o粘性力計(jì)算公式：o表示橫向速度梯度為1時(shí)，在流層單位接觸面積上產(chǎn)生的粘性力。稱為流體的粘度系數(shù)流體的粘度系數(shù)（動(dòng)力粘度系數(shù)），單位是PaS。SyF)/(2.1 大氣的重要物理參數(shù)o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(guān)。n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n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o實(shí)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。牛頓內(nèi)摩擦定律o至于粘性系數(shù)與溫度的關(guān)系已被大量的實(shí)驗(yàn)所證明。o液體的粘性系數(shù)隨溫度的增加而下降o氣體的粘性系

6、數(shù)隨溫度而增加。n這種截然相反的結(jié)果可用液體的微觀結(jié)構(gòu)去闡明。n流體間摩擦的原因是分子間的內(nèi)聚力、分子和壁面的附著力及分子不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)而引起的動(dòng)量交換，使部分機(jī)械能變?yōu)闊崮?。這幾種原因?qū)σ后w與氣體的影響是不同的。牛頓內(nèi)摩擦定律n因?yàn)橐后w分子間距增大，內(nèi)聚力顯著下降。而液體分子動(dòng)量交換的增加又不足以補(bǔ)償，故其粘性系數(shù)下降。n對(duì)于氣體則恰恰相反，其分子熱運(yùn)動(dòng)對(duì)粘滯性的影響居主導(dǎo)地位，當(dāng)溫度增加時(shí)，分子熱運(yùn)動(dòng)更為頻繁，故氣體粘性系數(shù)隨溫度而增加。 2.1 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。2.1 大氣的重要物理參數(shù)o可壓縮性n流

7、體在壓強(qiáng)或溫度改變時(shí)，能改變其原來體積及密度的特性。n流體的可壓縮性用單位壓強(qiáng)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(zhì)，可壓縮性就越大。n空氣的可壓縮性如何體現(xiàn)？o在低速飛行時(shí)忽略空氣可壓縮性的影響（Ma0.4）P可壓縮性2.1 大氣的重要物理參數(shù)o濕度n大氣的潮濕程度，通常用相對(duì)濕度來表示。o相對(duì)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。n溫度越高大氣所能含有的水蒸汽最大量越大。o露點(diǎn)溫度：使大氣的相對(duì)濕度達(dá)到100%時(shí)的溫度。n含有水蒸汽的空氣比干空氣密度小。2.1 大氣的重要物理參數(shù)o音速n音速是小擾動(dòng)小擾動(dòng)

8、在介質(zhì)中的傳播速度（米/秒）。o物體的振動(dòng)在介質(zhì)中引起的小擾動(dòng)會(huì)以介質(zhì)不斷被壓縮、膨脹的形式向四周傳播，形成介質(zhì)疏密交替變化的小擾動(dòng)波。n音速與傳播介質(zhì)的可壓縮性有關(guān)。把音速的大小看成是表示介質(zhì)壓縮性大小的一個(gè)指標(biāo)。2.1 大氣的重要物理參數(shù)o音速在同一種介質(zhì)中，音速的大小只隨介質(zhì)的溫度而變化，空氣中的音速計(jì)算公式：n為氣體常數(shù)，287J/Kg.K1/2pa20.1,()arRTTT為絕對(duì)溫度2.2 大氣層的構(gòu)造o地球大氣層 n對(duì)流層對(duì)流層( (變溫層變溫層) ) n平流層平流層( (同溫層同溫層) ) n中間層 n電離層(熱層) n散逸層 民用運(yùn)輸機(jī)的飛行范圍民用運(yùn)輸機(jī)的飛行范圍返回返回對(duì)流

9、層對(duì)流層( (變溫層變溫層) )的特點(diǎn)的特點(diǎn)n對(duì)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。n在對(duì)流層內(nèi)幾乎包含了全部大氣質(zhì)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(fēng)等氣象變化也僅僅產(chǎn)生在對(duì)流層中。n對(duì)流層內(nèi)不僅有空氣的水平流動(dòng)，還有垂直流動(dòng)，形成水平方向和垂直方向的突風(fēng)。n對(duì)流層內(nèi)的空氣溫度、密度和氣壓隨著高度的增加而下降。011km平流層平流層( (同溫層同溫層) )的特點(diǎn)的特點(diǎn)n從對(duì)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

10、零下56.556.5度度，所以又稱為同溫層。n同溫層之上隨著高度的增加，溫度逐步升高，直到頂部溫度升高到00C左右。n在平流層中，空氣只有水平方向的流動(dòng)?？諝庀”?，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|(zhì)量占整個(gè)大氣的四分之一不到。n大氣能見度好，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11-12km的平流層底層（巡航）飛行。11km11km20km20km水平風(fēng)水平風(fēng)水平風(fēng)水平風(fēng)零度零度同溫層同溫層中間層、電離層的特點(diǎn)中間層、電離層的特點(diǎn)n中間層的特點(diǎn)o中間層從離地面50公里到80公里為止。o空氣十分稀薄，溫度隨高度增加而下降。o空氣在垂直方向有強(qiáng)烈的運(yùn)動(dòng)。 n電

11、離層(熱層)的特點(diǎn)o中間層以上到離地面800公里左右就是電離層。o空氣處于高度的電離狀態(tài)，帶有很強(qiáng)的導(dǎo)電性，能吸收、反射和折射無(wú)線電波。o空氣溫度很高，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(wú)法傳播。中間層、電離層的特點(diǎn)中間層、電離層的特點(diǎn)n散逸層o大氣層的最外層；地心引力小，大氣分子散逸于太空中。2.3 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大氣（ISA）n國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大氣是由國(guó)際民航組織（ICAO）制定的，它是以北半球中緯度地區(qū)北半球中緯度地區(qū)大氣物理性質(zhì)的平均值平均值為依據(jù)，加以適當(dāng)?shù)男拚⒌?。n國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大氣具有以下的規(guī)定：o大氣是靜止的靜止的、相對(duì)濕度為零相對(duì)濕度為零的，潔凈潔凈的完全氣體完全氣

12、體，即服從狀態(tài)方程。o以海平面作為高度計(jì)算的起點(diǎn)，即H=0，并且在該處n大氣溫度288.15K，或15n大氣壓強(qiáng)1.01325105 帕n大氣密度1.225千克/米3n聲速340.29m/sRTp國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大氣表國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大氣表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 -4.5-11.0-17.5-24.0-30.5-37.0-43.5-50.0-56.5-56.5-56.5-56.5-56.5-56.5-56.5-56.5

13、-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 0.0030.00061.2261.1121.0070.9090.8200.7370.6600.5890.526

14、0.4670.4130.3640.3110.2650.2270.1940.1630.1410.1210.1030.0880.0190.0023.910-48.010-51.7801.7491.7171.6841.6521.6191.5861.5521.5171.4821.4471.4181.4181.4181.4181.4181.4181.4181.4181.4181.4181.4181.9122.0471.667國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大氣的應(yīng)用o設(shè)計(jì)飛機(jī)時(shí)應(yīng)該按此標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算飛機(jī)的飛行性能，飛機(jī)試飛結(jié)果也應(yīng)該換算成標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的結(jié)果，以便分析和比較。o飛機(jī)飛行手冊(cè)中列出的飛行性能數(shù)據(jù)是在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下得

15、出的，要得出實(shí)際大氣情況下飛機(jī)的飛行性能必須根據(jù)實(shí)際大氣情況對(duì)性能數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。o這種換算的主要工作是要確定實(shí)際大氣和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大氣的溫度偏差（ISA偏差）。ISA偏差I(lǐng)SAISA偏差是指：某處實(shí)際溫度與偏差是指：某處實(shí)際溫度與ISAISA標(biāo)準(zhǔn)溫度的差值。標(biāo)準(zhǔn)溫度的差值。例例1.1：已知某機(jī)場(chǎng)場(chǎng)溫：已知某機(jī)場(chǎng)場(chǎng)溫20 C，機(jī)場(chǎng)壓力高度，機(jī)場(chǎng)壓力高度2000英尺。求：機(jī)場(chǎng)高英尺。求：機(jī)場(chǎng)高度處度處ISA偏差。偏差。解：解：在壓力高度為在壓力高度為2000英尺的機(jī)場(chǎng)處，英尺的機(jī)場(chǎng)處，ISA標(biāo)準(zhǔn)溫度應(yīng)為：標(biāo)準(zhǔn)溫度應(yīng)為：T標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)=15 C （2 C/1000ft） 2000ft=11 C，而實(shí)際溫度為

16、：而實(shí)際溫度為：T實(shí)際實(shí)際=20 C，所以，所以，ISA偏差即溫度差為：偏差即溫度差為：ISA偏差偏差= T實(shí)際實(shí)際 T標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)=20 C 11 C=9 C，表示為：表示為：ISA+9 C 高度的表示絕對(duì)高度絕對(duì)高度真實(shí)高度真實(shí)高度標(biāo)高標(biāo)高壓力高度壓力高度絕對(duì)高度絕對(duì)高度（True AltitudeTrue Altitude）真實(shí)高度真實(shí)高度（Absolute AltitudeAbsolute Altitude）壓力高度壓力高度（Pressure AltitudePressure Altitude）壓力高度 氣壓降低，壓力高度增加。氣壓降低，壓力高度增加。常用的幾個(gè)壓力高度QNE：標(biāo)準(zhǔn)海壓，指

17、飛機(jī)距：標(biāo)準(zhǔn)海壓，指飛機(jī)距ISA海平面的垂直距離。當(dāng)氣壓高度表小海平面的垂直距離。當(dāng)氣壓高度表小窗內(nèi)的氣壓設(shè)定為窗內(nèi)的氣壓設(shè)定為29.92inHg或或1013.2mbar，高度表表示的值即為標(biāo)，高度表表示的值即為標(biāo)準(zhǔn)氣壓高度（標(biāo)準(zhǔn)海壓）。性能圖表上的高度一般為標(biāo)準(zhǔn)海壓高度。準(zhǔn)氣壓高度（標(biāo)準(zhǔn)海壓）。性能圖表上的高度一般為標(biāo)準(zhǔn)海壓高度。QFE：場(chǎng)壓場(chǎng)壓高度，等于機(jī)場(chǎng)標(biāo)高高度，等于機(jī)場(chǎng)標(biāo)高或跑道入口標(biāo)高的高度?；蚺艿廊肟跇?biāo)高的高度。QNH：修正海壓，按照?qǐng)鰤赫{(diào)定：修正海壓，按照?qǐng)鰤赫{(diào)定的高出海平面的高度。的高出海平面的高度。2.4 氣象對(duì)飛行活動(dòng)的影響o陣風(fēng)對(duì)飛機(jī)飛行的影響n大氣層中空氣短時(shí)間強(qiáng)烈對(duì)

18、流產(chǎn)生的擾動(dòng)稱為陣風(fēng)。n陣風(fēng)會(huì)隨時(shí)改變飛機(jī)相對(duì)氣流的速度和迎角n水平陣風(fēng)、側(cè)向陣風(fēng)、垂直陣風(fēng)垂直陣風(fēng)o* 水平陣風(fēng)：只改變相對(duì)氣流的速度對(duì)飛行所影響較小。o* 垂直陣風(fēng)：既改變相對(duì)氣流的速度又改變飛機(jī)的迎角。o垂直陣風(fēng)由下向上吹來，速度增加，迎角增大，升力增大，瞬間飛機(jī)承受較大載荷，飛機(jī)產(chǎn)生向上曲線運(yùn)動(dòng)，機(jī)頭上仰；o陣風(fēng)消失后，飛機(jī)恢復(fù)原飛行姿態(tài)；o垂直陣風(fēng)由上向下吹來，速度減少，迎角減小，升力減小，瞬間飛機(jī)承受較小載荷，甚至向下的載荷，飛機(jī)產(chǎn)生向下曲線運(yùn)動(dòng)，機(jī)頭下俯。顛簸的產(chǎn)生？2.4 氣象對(duì)飛行活動(dòng)的影響o飛機(jī)迎角的改變對(duì)飛機(jī)升力的影響較大，可能導(dǎo)致:n 1、顛簸n 2、受載過大：高速飛行

19、（小迎角狀態(tài)）遇到垂直向上突風(fēng)時(shí)應(yīng)使飛機(jī)減速（加大迎角），避免產(chǎn)生過大的氣動(dòng)載荷。n 3、飛機(jī)失速：低速飛行（大迎角狀態(tài)）遇到垂直向上突風(fēng)時(shí)應(yīng)使飛機(jī)速度提高（減小迎角），避免飛機(jī)大迎角失速。o側(cè)向陣風(fēng)：從飛機(jī)側(cè)向吹來的陣風(fēng)；n引起飛機(jī)搖晃、擺頭等，但對(duì)飛行影響不大。2.4 氣象對(duì)飛行活動(dòng)的影響o如果飛機(jī)飛行速度很大，垂直陣風(fēng)對(duì)飛機(jī)飛行速度影響引起的升力變化非常??；o垂直陣風(fēng)改變飛機(jī)相對(duì)氣流的迎角引起的升力變化很大；2.4 氣象對(duì)飛行活動(dòng)的影響o飛機(jī)穩(wěn)態(tài)飛行，有利迎角為40C，在垂直陣風(fēng)速度達(dá)到飛機(jī)飛行速度的1/10時(shí)，引起的迎角增量可達(dá)50C，引起的氣動(dòng)升力變化可觀。相同風(fēng)速下，垂直陣風(fēng)對(duì)飛機(jī)

20、飛行造成的影響比水平陣風(fēng)嚴(yán)重。2.4 氣象對(duì)飛行活動(dòng)的影響2.4 氣象對(duì)飛行活動(dòng)的影響o 穩(wěn)定風(fēng)場(chǎng)的影響：主要影響飛機(jī)的起飛和著陸n1、逆風(fēng)起飛和著陸，以減小起飛和著陸速度及滑跑距離。o逆風(fēng)起飛，飛機(jī)起飛滑跑距離較短即可達(dá)到要求的空速，獲取升力，使飛機(jī)離地。o逆風(fēng)著陸，使飛機(jī)保持一定的空速，獲得所需要的升力下，以最小的著地速度著陸，并可增加阻力，減少滑跑距離。2.4 氣象對(duì)飛行活動(dòng)的影響o 穩(wěn)定風(fēng)場(chǎng)的影響：主要影響飛機(jī)的起飛和著陸n2、側(cè)風(fēng)起飛后應(yīng)進(jìn)行航向修正。側(cè)風(fēng)著陸前應(yīng)進(jìn)行側(cè)滑修正側(cè)風(fēng)在飛機(jī)起飛或者著陸時(shí)，在飛機(jī)上產(chǎn)生側(cè)向載荷，帶著飛機(jī)漂移漂移，使飛機(jī)偏離航道，危機(jī)飛行安全。o飛機(jī)采用改變航向的辦法進(jìn)行修正。駕駛員操縱副翼和方向舵，組織飛機(jī)漂移，使飛機(jī)航跡對(duì)準(zhǔn)跑道。o超過一定的側(cè)向風(fēng)速，飛機(jī)進(jìn)行側(cè)滑著陸不能保證安全。o3、低空風(fēng)切變對(duì)飛行的影響n風(fēng)切變定義：風(fēng)向和風(fēng)速在特定方向上發(fā)生變化o飛機(jī)由小順風(fēng)區(qū)到大順風(fēng)區(qū)域o逆風(fēng)區(qū)到順風(fēng)區(qū)o某一方向的順風(fēng)區(qū)到另一方向的順風(fēng)區(qū)o較短距離的升降氣