第一章 大气物理学

1、空气动力学基础（ME、AV）第一章 大气物理学第二章 空气动力学第三章 飞行理论第四章 飞机的稳定性和操纵性空气动力学的应用空气动力学基础（ME、AV）第一章 大气物理学第二章 空气动力学第三章 飞行理论第四章 飞机的稳定性和操纵性第一章 大气物理学1.1 大气的重要物理参数1.2 大气层的构造1.3 国际标准大气（ISA）1.4 气象对飞行活动的影响1.5 大气状况对飞机机体腐蚀的影响 飞机是在大气的海洋里航行的飞行器。飞机的空气飞机是在大气的海洋里航行的飞行器。飞机的空气动力、发动机工作状态都与大气密切相关。动力、发动机工作状态都与大气密切相关。1.1 大气的重要物理参数 大气主要有三种成

2、分：纯大气主要有三种成分：纯干空气、水蒸气以及尘埃颗干空气、水蒸气以及尘埃颗粒。纯干空气含有粒。纯干空气含有78%78%的氮的氮气和气和21%21%的氧气，余下的的氧气，余下的1%1%由各种其他气体组成。由各种其他气体组成。大气的组成1.1 大气的重要物理参数大气密度l单位体积内空气质量，l大气密度随高度的增加而减小。Vm1.1 大气的重要物理参数大气温度l温度高低表明空气分子不规则热运动平均速度的大小。l在11km以下，随高度的增加气温下降，线性变化。摄氏温度，华氏温度和绝对温度。摄氏温度/oC华氏温度/oF绝对温度/oK在标准大气压下，纯水的沸点100212373.15在标准大气压下，纯水

3、的冰点032273.151.1 大气的重要物理参数15.27395)32(ckFcTTTTTc摄氏温度Tf华氏温度Tk绝对温度kg/m3hPaKftKmKg/m3对流层平 流 层 (同 温层)中间层电离层(暖层)温度1.1 大气的重要物理参数1.1 大气的重要物理参数大气压力l大气层内空气的压强，即单位面积上承受的空气的垂直作用力。空气重力空气分子的热运动l度量单位标准大气压101325Pal大气压随高度增大而减小。1.1 大气的重要物理参数粘性l粘性是流体的固有属性之一。它与物体在介质中的运动密切相关。l流体的粘性是指流体微团间发生相对滑移相对滑移时产生切向阻力切向阻力的性质。l大气的粘性主

4、要由于气体分子不规则运动造成的。1.1 大气的重要物理参数粘性力计算公式：表示横向速度梯度为1时，在流层单位接触面积上产生的粘性力。称为流体的粘度系数流体的粘度系数（动力粘度系数），单位是PaS。SyF)/(1.1 大气的重要物理参数不同流体的粘性系数各不相同，同一流体的粘性系数也与温度有关。l液体的粘性系数随温度的升高而降低液体的粘性系数随温度的升高而降低l气体的粘性系数随温度的升高而增大气体的粘性系数随温度的升高而增大实际流体都是有粘性的，没有粘性的流体称为理想流体理想流体。1.1 大气的重要物理参数液体气体粘度系数随温度变化情况温度升高，气体粘度系数增大。温度升高，液体粘度系数减小。1.

5、1 大气的重要物理参数可压缩性l流体在压强或温度改变时，能改变其原来体积及密度的特性。l流体的可压缩性用单位压强所引起的体积变化率表示。即在相同压力变化量的作用下，密度（或体积）的变化量越大的物质，可压缩性就越大。l空气的可压缩性如何体现？在低速飞行时忽略空气可压缩性的影响（Ma0.4）ppVV1.1 大气的重要物理参数湿度l大气的潮湿程度，通常用相对湿度来表示。相对湿度指大气中所含水蒸汽的量与同温度同温度下大气能含有的水蒸汽最大量最大量之比。l温度越高大气所能含有的水蒸汽最大量越大。露点温度：使大气的相对湿度达到100%时的温度。l含有水蒸汽的空气比干空气密度小。1.1 大气的重要物理参数音

6、速l音速是小扰动小扰动在介质中的传播速度（米/秒）。l音速与传播介质的可压缩性有关。可以把音速的大小看成是表示介质压缩性大小的一个指标。l在同一种介质中，音速的大小只随介质的温度而变化，空气中的音速计算公式：1/2pa)( ,1 .20为绝对温度TTa 若以气温变化为基准，则可将大气分为对流层、平流层、中间层、电离层、和散逸层等五层。1.2 大气层的构造kg/m3hPaKftKmKg/m3对流层平 流 层 (同 温层)中间层电离层(暖层)温度大气的分层对流层对流层( (变温层变温层) )的特点的特点l对流层的平均高度在地球中纬度地区约11公里，在赤道约17公里，在两极约8公里。l在对流层内几乎

7、包含了全部大气质量的四分之三。大气中含有大量的水蒸气及其它微粒，所以云、雨、雪、雹及暴风等气象变化也仅仅产生在对流层中。l对流层内不仅有空气的水平流动，还有垂直流动，形成水平方向和垂直方向的突风。l对流层内的空气温度、密度和气压随着高度的增加而下降。在11km以下，每上升1km，温度下降6.5度。kg/m3hPaKftKmKg/m3对流层平 流 层 (同 温层)中间层电离层(暖层)温度大气的分层平流层平流层( (同温层同温层) )的特点的特点l从对流层顶起到离地面约50公里之间称为平流层。该层下半部（大约20km以下）的空气温度几乎不变，在同一纬度处可以近似看作常数，常年平均值为摄氏零下摄氏零

8、下56.556.5度度，所以又称为同温层。l在平流层中，空气只有水平方向的流动。几乎没有水蒸汽，故没有雷雨等现象，故得名为平流层。空气质量占整个大气的四分之一不到。l现代喷气式客机多在1112km的平流层底层（巡航）飞行。kg/m3hPaKftKmKg/m3对流层平 流 层 (同 温层)中间层电离层(暖层)温度大气的分层中间层、电离层中间层、电离层的特点的特点l中间层的特点中间层从离地面50公里到80公里为止。空气十分稀薄，温度随高度增加而下降。空气在垂直方向有强烈的运动。 l电离层(热层)的特点中间层以上到离地面800公里左右就是电离层。空气处于高度的电离状态，带有很强的导电性，能吸收、反射

9、和折射无线电波。空气温度很高，并随着高度的增加而上升，所以又称为热层。空气密度极小，声音已无法传播。l散逸层大气层的最外层国际标准大气是由国际民航组织（ICAO）制定的，它是以北半球中纬度地区大气物理性质的平均值为依据，加以适当的修正建立的。1.3 国际标准大气（International Standard Atmosphere）国际标准大气参数国际标准大气具有以下的规定：l大气是静止的静止的、相对湿度为零相对湿度为零的，洁净洁净的完全气体完全气体，即服从状态方程。l以海平面作为高度计算的起点，即H=0，并且在该处大气温度288.15K，或15或59oF大气压强1.01325105 帕,标准海

10、压。大气密度1.225千克/米3声速340.29m/s对流层高度11km或36089ft对流层内标准温度递减率为，每增加1km温度递减6.5，或每增加1000ft温度递减2。从11km到20km之间的平流层底部气体温度为常数： -56.5或216.65kRTp国际国际标准大气标准大气表表H(千米)T T()a(米/秒)p10-4(牛顿/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国际标准大气的应用设计飞机时应该按此标准计算飞机的飞行性能，飞机试飞结果也应该换算成标准大气条件下的结果，以便分析和比

13、较。飞机飞行手册中列出的飞行性能数据是在国际标准大气条件下得出的，要得出实际大气情况下飞机的飞行性能必须根据实际大气情况对性能数据进行修正。这种换算的主要工作是要确定实际大气和国际标准大气的温度偏差（ISA偏差）。ISA偏差是指：某处实际温度与ISA标准温度的差值。例1.1：已知某机场场温20C，机场压力高度2000英尺。求：机场高度处ISA偏差。解：在压力高度为2000英尺的机场处，ISA标准温度应为：T标准=15C（2C/1000ft）2000ft=11C，而实际温度为：T实际=20C，所以，ISA偏差即温度差为：ISA偏差= T实际T标准=20C11C=9C，表示为：ISA+9C ISA

14、偏差ISA偏差例2 飞机巡航压力高度为2000m，该高度处气温-6C。求该高度处ISA偏差。解 高度为2000m处的ISA标准温度应该为T标准=15C（6.5C/1000m）2000m=2C而实际温度为：T实际=-6C，所以，ISA偏差即温度差为：ISA偏差= T实际T标准=-6C2C=-8C，表示为：ISA-8C 1.4 气象对飞行活动的影响阵风对飞机飞行的影响l大气层中空气短时间强烈对流产生的扰动称为阵风。l水平阵风和侧向阵风l垂直阵风垂直阵风主要是改变迎角。主要是改变迎角。1.4 气象对飞行活动的影响稳定风场对飞机飞行的影响l逆风起飞着陆l有侧风时起飞和着陆侧风中的着陆过程航线法进近带坡度接地低空风切变对飞行的影响l风向和风速在特定方向上的变化称为风切变风向和风速在特定方向上的变化称为风切变,一一般特指在短时间、短距离内的变化。包括水平风般特指在短时间、短距离内的变化。包括水平风切变和垂直风切变。切变和垂直风切变。 低空风切变严重威胁飞行安全。低空风切变严重威胁飞行安全。什么叫风切变1.4 气象对飞行活动的影响云对飞行的影响l影响视线l积雨云l积冰1.5 大气状况对飞机机体腐蚀的影响大气湿度l大气湿度对金属在大气中的腐蚀有着重要的影响。l大气污染物质大气的温度和温差l温差影响比温度影响大。l一般随温度的升高，腐蚀加快。1.5 大