民航概论第三章航空器活动环境和空中导航

AnIntroductiontoCivilAviation 民航概论 第三章航空器活动环境和空中导航 3 1大气层 3 2地球坐标与飞行航线 3 3地球运动与时间 3 4空中导航 3 1大气层 不论是轻于空气的航空器还是重于空气的航空器 都要在地球这个空间中飞行 而地球是被大气层紧紧包围着 厚度大概在1000千米以上 没有明显界限 所以 大气层是各种航空器活动的舞台 大气层中的各种现象和空气运动对航空器的活动有重要影响 因此 我们要对空气的基本性质和大气的状况有所了解 3 1 1大气结构 大气可以看作是一种混合物质 它是由三个部分所组成 干洁空气 水汽和大气杂质 其中 干洁空气是构成大气的最主要的部分 也就是一般意义上所说的空气 空气成分图 按照大气温度随高度的分布特征 把大气层分为对流层 平流层 中间层 热层 外逸层 3 1 2大气层构造 平流层55km 对流层顶 中间层50 85km 热层 电离层 500km 平流层顶 中间层顶 对流层8 12km O3 O3 O3 外逸层800km以上 对流层 troposphere 从地表开始 其上界随纬度和季节而变化 对流层是航空器活动的主要区域 这里集中了整个大气质量的3 4和几乎全部水汽 这一层面对流活动频繁 风 云 雨 雪 雷电等天气都发生在一层中 给航空器的飞行带来困难 平流层 stratosphere 平流层从对流层顶向上一直到大约55千米的高度 该层的气温随高度升高而增加 到达平流层顶可达到0 C 航空器一般活动在对流层和平流层的下部 即从地面起到18千米高度之内 这里几乎没有垂直方向的气流运动 飞机飞行平稳 阻力小 飞机可以较快速度飞行 节约燃料 经济性好 热层 thermosphere 中间层之上 上界可达到800千米以上 该层内大气因为直接吸收太阳辐射而得到能量 因此 温度随高度升高而增加 并且日变化和季变化明显 昼夜温差达几百摄氏度 此外 这里是电离层的主要分布区域 电离层能反射无线电波 对全球无线通信有重要意义 3 1 3大气物理参数 飞机的飞行性能与大气状态的主要参数 气温 气压和空气密度有密切关系 但是 这些参数是随着地理位置 季节 每天的时刻 高度和气象条件的不同而变化着 因而 随着大气状态的改变 飞机的空气动力以及飞行性能也要改变 1 大气压强 空气在单位面积上所产生的压力 常用量度单位有百帕 hPa 毫米汞柱 mmHg ICAO规定 气温为15 的海平面的大气压 称之为国际标准大气压 其值为760mmHg 约为1013 25hPa 气压的大小与高度 温度 密度有关 一般情况下 大气压随着高度增加基本呈线性下降 航空器依此规律可确定其飞行高度 因此气压成为重要的大气资料 实际使用时 则要根据实际情况与国际标准大气进行换算以确定飞行高度 2 大气温度 气温是指空气的冷暖程度 气温通常用三种温标来量度 即摄氏温标 华氏温标 和绝对温标 K 在对流层 大气温度随高度增加而线性下降 大约每升高100米 温度下降0 65 3 大气密度 单位体积内空气的质量 空气密度随高度而下降 且下降的速度要比气压和温度快 此外 空气密度直接影响飞机的升力和阻力 因此在设计制造以及操作航空器时要掌握此参数 4 声速 也称为音速 是指声音在空气中传播的速度 它是影响飞行阻力的重要因素 空气中的音速在1个标准大气压和15 的条件下约为340米 秒 在对流层中 声速随高度升高而减小 在同温层中 由于温度不再变化 空气密度已经很小 对声速影响不大 这时声速也基本保持不变 3 1 4航空气象知识 航空器在大气层中飞行 气象要素和天气现象会对航空器的活动产生影响 气温 气压 湿度 风等都是影响飞行的重要气象要素 此外 能见度 云 雾 降水 雷暴 颠簸 低空风切变 大气湍流 急流 积冰等天气现象都直接影响航空器的飞行安全 1 云 空气中水汽凝结成的可见形态 按形态分为 积云和层云 按高度分为 高云 中云和低云 云的不同形状和变化 既能反映当时大气运动的状态 又能预示未来的天气变化 经验丰富的飞行人员把云称为 空中地形 和 空中的路标 云对飞行的主要是影响驾驶员的能见度 由云产生的各种雨 雷电 冰雹等都会给飞行安全带来一定影响 此外 机场上空云的覆盖率是飞行气象条件的重要指标 2 能见度 观察者在白天辨认物体 在夜间辨认灯光的距离 用公里或米表示 同时 也表示了在天空众飞行的飞机之间的能见距离 对于目视飞行 能见度是允许飞行的重要依据 对于仪表飞行 能见度 尤其是地面能见度是飞机起降的重要依据 影响能见度的有 雾 烟 风沙 雨 雪等视程障碍现象 3 雾 靠近地面的云 能使水平能见度小于1km的现象 雾形成的三个条件 空气湿度 空气中有一定数量的微粒作为凝结核 温度下降 根据雾的形成条件 雾可分四种形式 辐射雾 平流雾 锋面雾 上坡雾等 在我国 辐射雾和平流雾出现频率高 影响范围最大 是最常见的 4 降水 云雾中的水滴或冰晶降到地面的现象 主要形式有雨 雪 雹等 主要取决于上空云层的垂直温度和地面温度分布情况 降水对飞行的影响 降水使能见度减小过冷雨滴会造成飞机积冰碎雨云影响飞机起降易出现较强的下降气流大雨和暴雨能使发动机熄火大雨恶化飞机的空气动力降水影响跑道的使用 5 风 空气在地面的水平运动 风的存在使飞机的飞行增加了一定的复杂性 风对航空运行的影响 常年风向影响跑道方向 起降 顺风不利 逆风适当有利 侧风不利 巡航 顺风时会使地速增加 影响航向 航迹 飞机着陆遇侧风 6 雷暴 在空气中有大量水汽 上下温差很大时首先形成积云 然后在云中的水汽形成雨滴下降 下降的雨和上升的热气流相撞击 产生雷电 雷暴对飞行活动影响极大 云中飞行会引起颠簸和积冰 闪电会干扰无线电通信和电子设备 冰雹会击伤飞机 伴随雷暴还会出现强降水 能见度下降 强阵风等现象 雷暴中起飞 7 颠簸 大气中空气有不稳定气流的上下运动 从而导致飞机被抛上抛下 摇晃 摆头 使飞机操作困难 仪表不准的现象 常见的颠簸 表面湍流 风切变 晴空湍流 飞机后的尾流 视频 空中颠簸 表面湍流 晴空湍流 风切变 尾流 3 2 1地球 两极稍扁 赤道略鼓的椭球体 其大小和形状由地球椭球的基本元素确定 极半径a 赤道半径b和扁率e 其中e b a a 这三个因素是为导航系统的使用来确定模型的 3 2 2地理坐标 地理坐标就是相互交织的经线和纬线所构成的网格 地球表面上任意一点均有且仅有一条经线和一条纬线通过 因此 通过经纬度可以唯一确定地球表面上点的位置 1 纬度 Latitude 地球表面上任意一点与地心的连线同赤道面的夹角称为该点纬度 赤道纬度为0 南北极点纬度为90 赤道以北是北纬 以南为南纬 航行中有四种描述纬度的方法 N S 维度 维度 N S LAT N S 维度 N S 维度 1 大圆航线 地球表面二点与球心构成的平面相交形成大圆圈的一部分 所有的经线圈和赤道均为大圆航线 地球上任意两点之间都有一条大圆航线 由于大圆圈线是球面上距离最短的曲线 所以 大圆航线的距离最短 一般情况下 大圆航线与经线夹角都不同 采用大圆航线 空中导航较困难 因此 在实用中通常是远程飞行才使用大圆航线 2 等角航线 与所有地球经线夹角相等的航线 在地球表面为一条都是以极点为渐近点的螺旋曲线 这种航线长于大圆航线 可一旦确定航线角 就可以一直保持该航线角直到目的地 因此 短距离航行一般都采用等角航线的作法 3 3 1地球的运动1 地球自转 地球绕着地轴自西向东的转动 从北极点上空看呈逆时针旋转 从南极点上空看呈顺时针旋转 一般而言 地球的自转是均匀的 地球自转意义 东 西半球发生昼夜交替 不同地方的时间差异 物体偏向 地转偏向力 日月星辰的东升西落 一天之中杆影长度发生变化 2 地球公转 地球按一定轨道围绕太阳的转动 和地球自转一样具有其独特规律性 方向也是自西向东 一个周期是约365天 引起正午太阳高度变化 昼夜长短随纬度和季节变化 四季更替 五带划分 3 3 2时间系统 时间是安排航空活动秩序 度量航空活动周期的基本参数之一 日常生活中 我们可以忽略时刻和时间的区别 但在航空活动中 时间和时刻必须严格区分 在航空活动中 常用的时间系统包括地方时 区时和协调世界时等 1 地方时 LocalTime 人类最早通过观察太阳东升西落来安排作息生活 地方时就是根据太阳高度角在一天内的周期变化来确定 一般规定 以当地经线正背太阳的时刻为0时 正对太阳的时刻为正午12时 地球上有无数条经线 就有无数个地方时 2 区时 ZoneTime 地方时适应于当地人作息习惯 但随着长途铁路运输和远洋航海事业的发展 国际交往日益频繁 地方时的使用带来了许多困难 1884年 全世界开始采用统一时区系统计量的时间 称之为区时 时区划分与区时 以本初子午线为标准 从西经7 5 到东经7 5 为零时区 从零时区的边界分别向东和向西 每隔经度15 划分出一个时区 东 西各划出了12个时区 其中 东十二区和西十二时区重合 全球共划分成24个时区 各时区都以中央经线的地方时为本时区共同使用的时间系统 称为区时 相邻两时区的区时相差1小时 东边时区的区时总比西边时区的区时早 中央经线的度数 15 该时区的时区序号 所求区时 已知区时 两地时区差 1小时 180 经线被称为国际日期变更线或改日线 飞越日界线时 从东向西 日期增加一天 从西向东 日期减少一天 北京时间 BeijingTime 我国地跨东5到东9共5个时区 为了全国使用统一的时间 规定用首都北京所在的东8区的区时为我国标准时间 称之为北京时间 国际标准时间 国际上规定 以零度经线的地方时 即0时区的区时 作为国际上统一采用的标准时间 称国际标准时间 即格林尼治时间 GMT 又称世界时 国际标准时间常用于国际协定 国际通讯 天文观测和推算以及一些国际性事务中 以取得全球的一致性 在航海定位和基地科考中更有广泛的应用 3 4 1空中导航的概念 空中导航是利用导航设备接收和处理导航信息 确定飞机的位置 航向和飞行时间 引导飞机沿着预定航线从地球的表面上的一点准确 准时 安全地飞往地球表面上预定点的过程 导航系统所解决的问题是在哪里 去哪里和向哪走这三个技术性问题 最初人类所使用的是天文导航和目视导航 即使用地形作为参照或者观察太阳 星体等到达目的地 20世纪20年代 开始出现无方向性信标及一些原始的推测导航仪器 从而开始了最初的无线电导航 二战期间 无线电导航成为一项专门技术而的得到巨大发展 许多无线电设备相继出现并得到广泛应用 无线电导航逐步成为占支配地位的导航方式 20世纪70年代 随着卫星导航系统以及飞行管理系统的出现 现代导航系统开始取代传统导航系统 3 4 2无线电导航设施 NDB台 ADF 1 自动定向机 ADF 这是最早应用的无线电导航系统 它需要与地面NDB导航台配合使用 组成一种近程测角系统 ADF具有结构简单 维护方便 价格低廉的优点 它甚至可以利用众多民用广播电台为飞机定向 目前仍然是一种常用的导航系统 安装在每隔航站和航线中 不断向空间发射一个无方向性的无线电信号 2 甚高频全向信标 VOR 这是一种近程无线电测角导航系统 由美国在二战末期发展起来的 1949年被国际民航组织 ICAO 采用 正式作为国际标准无线电导航系统 工作频率 108 00 118MHz 由地面设备和机载设备两部分组成 地面VOR台天线向空间发射无线电方位线 位于某一条方位线上的飞机机载接收机通过解算来确定其电磁方位信息 3 测距机 DME 这是在二战期间由英国发明的 由记载设备和地面信标设备组成 目前 民用飞机普遍装备的一种无线电导航系统 它与VOR台常安装在一起 工作频段 962MHz 1212MHz 由地面设备和机载设备两部分组成 斜距 地面DME应答机 机载DME询问机 4 仪表着陆系统 ILS 这是目前应用最广泛的飞机精密进近和着陆引导系统 能够在复杂气象条件下为航空器着陆提供航向引导和垂直引导 它是由地面所发射的两束无线电