空氣動力學基礎01大氣物理學

空氣動力學與飛行原理第1章大氣物理學知識要求掌握大氣物理學基本概念熟記大氣物理相關常用參數的定義、概念和單位了解氣象活動對飛行的影響、大氣成分對機體腐蝕的影響大氣包圍地球并隨地球一起運轉的空氣層航空器的飛行與大氣層密切相關1.1大氣的重要物理參數大氣的成分氮氣78%氧氣21%其他1%大氣分子的運動壓力、熱能物理參數溫度、壓力、密度粘性、壓縮性、濕度、音速1.1.1大氣密度大氣密度單位體積內的空氣質量1.1.2大氣溫度大氣溫度大氣層內空氣的冷熱程度單位攝氏溫度℃、華氏溫度℉、絕對溫度°K三種溫度的換算關系1.1.3大氣壓力大氣壓力大氣層內空氣的壓強，即物體單位面積上承受的空氣的垂直作用力。產生原因上層空氣的重力對下層空氣造成了壓力空氣分子不規則的熱運動因為大氣壓力隨高度和溫度變化，所以規定在海平面溫度為15℃時的大氣壓力為一個標準大氣壓1.1.4粘性粘性流體內兩相鄰流層的流速不同時，或流體與物體間發生相對運動時，兩個流層接觸面上或流體和物體接觸面上便產生相互粘滯和相互牽扯的力，這種特性就是流體的粘性。氣體的粘度系數隨溫度升高而增大；液體的粘度系數隨溫度升高而減小。影響空氣粘性的兩個重要因素是速度梯度和溫度1.1.5可壓縮性可壓縮性空氣的可壓縮性是指一定量的空氣在壓力或溫度變化時，其體積和密度發生變化的特性。在相同的壓力變化量的作用下，密度的變化量越大的物質，可壓縮性就越大。液體的密度變化量極小，可以看作是不可壓縮的。空氣由于分子之間距離較大、分子之間吸引力較小，它的可壓縮性表現得十分明顯。當大氣流過飛行器表面時，在一些部位氣流速度增加，氣流的壓力會減小，密度也會隨之下降Ma<0.4Ma>0.41.1.6濕度濕度指大氣的潮濕程度，通常用相對濕度來表示。相對溫度是指大氣中所含水蒸氣的量與同溫度下大氣能含有的水蒸氣最大量之比水蒸氣的密度約等于干空氣的5/8，含有水蒸氣的空氣比干空氣密度小、重量輕飛機在潮濕天氣起飛時，需要的跑道長度要比在干燥天氣起飛時的跑道長。1.1.7音速音速小擾動在介質中的傳播速度。不同介質下：相同介質下：1.2大氣層的構造大氣分為五層對流層平流層中間層電離層（熱層）散逸層1.3國際標準大氣（ISA）1.3.1國際標準大氣的制定大氣的物理性質是變化的，使航空器上產生的空氣動力也發生變化，影響飛行性能；為便于設計、試驗和分析航空器性能，需要建立一個統一的標準，即標準大氣。國際民航組織（ICAO）根據對北緯40°～50°區域的地球大氣多年觀測的結果，加以模型化，給出的一種假想的大氣模型。國際標準大氣包括以下內容：1.完全氣體狀態方程：壓力不變：密度和溫度成反比。溫度不變：密度和壓力成正比。密度不變：壓力與溫度成正比。2.海平面處H=0。該處的物理參數：3.根據海平面大氣物理參數，計算出各個高度上標準大氣的物理參數。高度溫度壓力密度H(m)T(K)t(℃)p(kPa)p(mmHg)p/p0(kg/m3)/0-1000294.6521.50113.93854.551.12441.34701.0996-500291.4018.25107.47806.151.06071.28491.04890288.1515.00101.325760.001.00001.22501.00001000281.658.5089.876674.120.88701.11170.90752000275.152.0079.501596.300.78461.00660.82173000268.66-4.4970.121525.950.69200.90930.74234000262.17-10.9861.660462.490.60850.81940.66895000255.28-17.4754.048405.390.53340.73640.60126000249.19-23.9647.217354.160.46600.66010.53897000242.70-30.4541.105308.310.40570.59000.48178000236.22-36.9335.651267.400.35190.52580.42929000229.73-43.4230.800231.020.30400.46710.381310000223.25-49.9026.499198.760.26150.41350.337611000216.77-56.3822.699170.260.22400.36480.297812000216.65-56.5019.399145.500.19150.31190.254613000216.65-56.5016.579124.350.16360.26660.217614000216.65-56.5014.170106.280.14000.22790.186015000216.65-56.5012.11190.850.11950.19480.15901.3.2標準大氣的應用標準大氣排除了地理坐標、季節和晝夜對大氣特性的影響，因而可用于比較飛機飛行性能的計算結果和試飛結果。把實際飛行性能換算到標準大氣狀態，必須進行各種修正。推算實際大氣情況下的飛行性能，將基于溫度偏差基準，對飛行手冊查出的性能數據進行換算。1.4氣象對飛行活動的影響1.4.1陣風對飛機飛行的影響陣風大氣層中空氣短時間強烈對流產生的擾動陣風的影響主要是垂直陣風，使飛機產生顛簸、較大的氣動載荷和失速。水平陣風迎頭或從飛機后面吹來的與飛機飛行方向平行的陣風只改變相對氣流的速度對飛行所影響較小垂直陣風由下向上或由上向下吹來的垂直飛行方向的陣風改變相對速度和迎角垂直陣風的危害1、顛簸。2、受載過大：高速飛行（小迎角狀態）遇到垂直向上突風時應使飛機減速（加大迎角），避免產生過大的氣動載荷。3、飛機失速：低速飛行（大迎角狀態）遇到垂直向上突風時應使飛機速度提高（減小迎角），避免飛機大迎角失速。側向陣風從飛機側面吹來的陣風危害破壞飛機側向氣動力平衡，造成飛機搖晃、擺頭危害不大1.4.2穩定風場對飛機飛行的影響主要影響飛機的起飛和著陸1、逆風起飛和著陸，以減小起飛和著陸速度及滑跑距離。2、側風起飛后應進行航向修正。側風著陸前應進行側滑修正（操縱副翼和方向舵）。3、低空風切變（風向和風速在特定方向上發生變化）對正在起飛和著陸過程的飛機的安全性具有嚴重影響。1.4.3云對飛行的影響1、影響視線。2、飛機穿過積雨云可能受到閃電、冰雹的襲擊或遇到強烈風切變。3、飛機穿過零度以下低溫云層時，在飛機表面可能結冰。1.5大氣狀況對機體腐蝕的影響1.5.1大氣的濕度臨界濕度：在大氣中使金屬的腐蝕速度急劇增大對應的大氣的相對濕度。不同金屬有不同的臨界相對濕度。影響臨界濕度的因素：機體構件的材料性質；污染物的性質和數量；金屬表面