飞机性能——飞行的大气环境.doc

1.1 飞行的大气环境 1.1.1 大气的基本状况 飞机在大气中飞行，大气的温度、压强、密度对飞机的飞行性能有重要影响在不同的经度、 纬度、高度（三维空间位置） 、在不同的季节和时刻（时间位置） ，大气的温度、压强、密度会 有差别，会有改变了解这些参数的差别和改变，对于分析飞机的飞行性能具有重要的意义 大气的组成 空气由多种气体分子组成按体积计算，氮气约占 78% ，氧气约占 21% ，其余为二氧化碳、 水汽、氢、氩、氖、氦等气体 大气中水汽的含量对飞机的飞行有重要影响 大气层 大气层的底界是地表，顶界没有明显的自然界限如果以空气密度接近于星际气体密度的高度 作为顶界，高度约为 2000~3000km 沿重力方向，大气层中空气的密度、压力、温度等，差异 非常显著通常把大气分为 5 层:：对流层、平流层、中间层、电离层、散逸层 对流层 高度范围：底界是地面，顶界随纬度和季节而变化对流层的厚度，在低纬度地区平均为 16~18km，中纬度地区平均为 10~12km ，高纬度地区平均为 8~9km 温度变化：气温随高度的增加而降低气温影响对流层厚度夏季由于气温高，厚度要比冬季 大每天早午晚的气温变化也同样影响对流层的厚度。

大气密度：受地球引力作用影响，对流层集中了全部大气质量的 3/4 和几乎全部的水汽，是天 气变化最复杂的层次 平流层 高度范围：位于对流层之上，顶界扩展到 50~55km 温度分布：平流层下部常称为“同温层” 随着高度的增加，气温保持不变（为 190K）或略有 升高；到 20~30km 以上，气温升高很快，到平流层顶，气温升至 270~290K平流层的这种气 温分布特征同它受地面影响较小和存在大量臭氧有关 大气密度：平流层的空气稀薄，所包含的大气质量约占整个大气质量的 1/4 左右 水汽：水蒸汽极少，通常没有雨、云、雾、雪、雹等天气现象 风：空气没有上下对流，空气沿铅垂方向运动较弱，所以没有垂直方向的风，只有水平方向的 风，而且风向稳定这是因为高空的空气稀薄，运动时摩擦力小，当大气层的空气随着地球自 传时，上层的空气会出现滞后现象，这样相对地面来说，就形成水平方向的风 对飞行的影响：这一层能见度好（晴空万里） ，气流平稳，空气阻力小，对飞行有利现代喷 气式客机多在 11000~12000km 的平流层底层飞行，十分平稳中间层 高度范围：高度从 50~55km 伸展到 80~85km 。

温度变化：随着高度的增加气温下降，顶部气温可低至 160~190K 风：空气在铅垂方向有强烈运动 大气密度：空气非常稀薄，质量仅占大气质量的 1/3000 电离层 高度范围：从中间层顶延伸到 800km 高空 空气处于电离状态，由于太阳辐射的各种射线和宇宙射线使这一层大气中的氮氧分子电离成为 离子和自由电子，带有很强的导电性，能吸收、反射和折射无线电波某些频率的无线电波可 以通过电离层沿地球表面的曲面传送 温度变化：温度随着高度的增加而增加也称为热层或暖层电离层中含有很多宇宙尘能吸收 太阳热量，并且空气在电离时也释放出很多热量 大气密度：空气密度极小，在 700km 厚的范围内只占大气质量的 0.5%，声波难以传播热量 也难以通过大气对流传播飞行器的表面温度只取决于吸收太阳辐射热的多少 散逸层 远离地面，受地球引力小，大气分子不断向星际空间逃逸，空气极其稀薄 1.1.2 大气层的温度结构、密度和压强变化 地球表面温度随季节和纬度变化温度 ℃ 元月 份 元月份 七月 份 七月份 赤道 年度平均 年度 平均 大气温度随高度、纬度变化 地球大气层的温度变化对流 顶 纬度 ISA 模型 ISA 对流顶 温度℃ 海平面 海平 面 几何高度 km 外逸层 热电离层 动温度，K 标准大气 范围 热电离层 平流层 对流层 温度， K 重力 势高度 km 散逸层 地球大气层的温度变化规律 第一层：靠近地球表面，是对流层，温度随着高度的增加而降低； 第二层：平流层，温度在其内层部分基本保持不变； 第三层：散逸层，距离表面 50~80km ，温度随着高度升高而下降； 第四层：热电离层，温度随着高度增加而升高，在 400km 时达到 1000K，然后保持不变； 第五层：外逸层。

800KM 以外 大气的压强变化 受地球引力的影响，静止大气的压强随着高度增加而降低，可表示为： 微分式：dp/dh=-ρg；积分式：p=p 0 -ρgh 流动大气的压强由两部分组成：总压=静压+动压 动压也称速压：q=0.5ρV 2 （ρ：流体密度；V ：流速） 大气的密度变化 受地球引力的影响，大气密度随着高度的增加而降低 温度、压强、密度三者的关系 温度、压强、密度三者之间存在一定的关系，在同一位置，压强不变时，大气密度随着温度的 增加而降低 1.1.3 国际标准大气 ISA（International Standard Atmosphere） 飞机的飞行离不开大气，飞机的性能依大气数据的变化而改变，实际大气数据变化不定，建立 一个公共标准—国际标准大气模型，作为衡量、比较飞机性能的依据 国际标准大气中，海平面（H=0）标准大气参数 标准大气温度 T 0 =288.15K； 标准大气压强 p 0 =101325N/m 2(帕斯卡) ； 标准大气密度 ρ 0=1.225kg/m 3 国际标准大气中，大气层的温度结构 通用式：T=T i +L i (H-H i ) T:大气温度， 单位为 K T i ： 相应大气层下边界温度数值， 单位为 K L i : 相应大气层温度随高度变化率，单位为 K/m i 、H i :相应大气层下边界高度数值， 单位为千米 对流层：T =T 0 +L 0 (H-H i ) =288.15-0.0065H 对流层下边界高度 0 千米， i 、H i =0 同温层(内平流层) ：T =T 11 +L 11 (H-H 11 ) =216.65同温层下边界高度 11 千米， i 、H i =11 T 11 =288.15-0.0065X11= =216.65 中平流层：T =T 20 +L 20 (H-H 20 ) =216.65+0.001(H-20000) 中平流层下边界高度 20 千米， i 、H i =20 T 20 =216.65 国际标准大气模型中，大气层的温度结构 国际标准大气中的大气压强 两个假设 大气是理想气体，符合理想气体的状态方程：p=ρRT 大气是静止的，符合静力学方程：dp/dH=- ρg 则：dp/p=(-g/R)dH/T=(-g/R)dH/[T i +L i (H-H i )] 国际标准大气中的大气密度   20 11 0 20000 1 1 20 20 20 11000 11 0 0 0 RL g RT H g RL g H T L p p e p p H T L p p                               中平流层 内平流层（同温层） 对流层内对流层 内平流 层（ 同 温层） 对流顶 中平流层 重力 势高度 基准面 静温度，T （K ） 已知温度和压强随高度的变化规律，根据理想气体的状态方程可以推导出大气密度随高度的变 化规律。

大气相对参数 相对温度( 温度比)θ=T/T 0 =T/288.15 相对压强( 压强比)δ=p/p 0 =P/101325 相对密度( 密度比)σ=ρ/ρ 0 =ρ/1.225 三者关系为：δ=σθ 国际标准大气相对参数   20 11 0 1 20 20 20 11000 11 1 0 0 0 20000 1 1 RL g RT H g RL g H T L e H T L                                     中平流层 内平流层（同温层 ） 对流层内相对温 度，θ 中平流 层 内平流 层（同温层） 对流层 相对 密度， σ 相对 压强， δ 重力势高度，H×1000 （英尺） 相对性 质 。