《直升机空气动力学与飞行原理》课件-模块二：大气基本原理（双语）

模块二：大气基本原理BasicPrinciplesofAtmosphere直升机空气动力学与飞行原理Helicopteraerodynamicsandprinciplesofflight了解什么是地球大气Learnabouttheoriginsofhelicopters01Teachingobjective教学目标熟悉大气的结构组成Familiarizeyourselfwithhelicopterfeatures02了解国际标准大气Understandthestructuretypesandapplicationscenariosofhelicopters03模块二：大气基本原理BasicPrinciplesofAtmosphere任务一：大气基本特性Basicatmosphericcharacteristics直升机空气动力学与飞行原理Helicopteraerodynamicsandprinciplesofflight活动1：什么是大气？01.PARTONEWhatisaatmosphere?活动1：什么是大气？大气，是大气层的简称，是指包围地球并随地球一起运转的空气。Atmosphere,abbreviatedasatmosphere,referstotheairthatsurroundsandmoveswiththeEarth.活动1：什么是大气？所有的航空活动都与大气密切相关Allaviationactivitiesarecloselyrelatedtotheatmosphere鸟类（Birds）飞机（Airplane）直升机（Helicopter）风筝（Kites）热气球（Kites）活动1：什么是大气？Aircraft,helicopters,andotheraircraftallflyintheatmosphere,andtheatmospheregeneratesaerodynamicforcesonaircraftinrelativemotion.Therefore,theflightofaircraft,helicopters,andotheraircraftiscloselyrelatedtotheatmosphere.飞机、直升机等航空器都在大气层中飞行，大气在与之有相对运动的航空器上产生空气动力，因此，飞机、直升机等航空器的飞行是与大气密切相关的。活动2：大气的结构是怎样的？02.PARTTWOWhatisthestructureoftheatmosphere?活动2：大气的结构是怎样的？氮气Nitrogen氧气Oxygen二氧化碳

Carbondioxide氦、氖、氩、氢，等气体。Helium,argon,neon,hydrogen,andothergases.水蒸气和尘埃颗粒Watervaporanddustparticles活动2：大气的结构是怎样的？氮气Nitrogen氧气Oxygen二氧化碳

Carbondioxide氦、氖、氩、氢，等气体。Helium,argon,neon,hydrogen,andothergases.水蒸气和尘埃颗粒Watervaporanddustparticles活动2：大气的结构是怎样的？航空器唯一的活动环境就是大气层。Theonlyactiveenvironmentforaircraftistheatmosphere.大气在铅锤方向的性质有很大的变化，不是大气层的每个位置都适合直升机等航空器的飞行。Thepropertiesoftheatmosphereintheleadhammerdirectionvarygreatly,sonoteverypositionoftheatmosphereissuitablefortheflightofhelicoptersandotheraircraft.活动2：大气的结构是怎样的？

以温度变化为基准可以将大气层分为五层。Theatmospherecanbedividedintofivelayersbasedontemperaturechanges.

散逸层（EscapeLayer）电离层（热层）Ionosphere(ThermalLayer)中间层（MiddleLayer）平流层（Stratosphere）对流层（TroposphericLayer）活动2：大气的结构是怎样的？

对流层是靠近地表的大气最底层，它的厚度随纬度和季节的不同而有变化。Thetroposphereisthebottomlayeroftheatmospherenearthesurface,anditsthicknessvarieswithlatitudeandseason.

低纬度平均为17～18km中纬度为10～12km高纬度只有8～9km。Theaveragelowlatituderangeis17-18kmMidlatitudeis10-12kmThehighlatitudeisonly8-9km.活动2：大气的结构是怎样的？

对流层是靠近地表的大气最底层，它的厚度随纬度和季节的不同而有变化。Thetroposphereisthebottomlayeroftheatmospherenearthesurface,anditsthicknessvarieswithlatitudeandseason.Thehighlatitudeisonly8-9km.

厚度随季节变化是夏天比冬天厚。Thethicknessvarieswithseasons,anditisthickerinsummerthaninwinter.活动2：大气的结构是怎样的？各种天气现场发生在对流层。Variousweatherconditionsoccurinthetroposphere.对流层：troposphere活动2：大气的结构是怎样的？对流层：troposphere压力、密度、温度和声速等随高度的增加而降低；空气具有强烈的水平对流和垂直对流运动，形成水平和垂直方向的突风；气象要素水平分布不均匀。Thephysicalparameters,includingpressure,density,temperature,andspeedofsound,decreasewithincreasingaltitude;Theairhasstronghorizontalandverticalconvectivemovements,forminggustsinbothhorizontalandverticaldirections;Unevenhorizontaldistributionofmeteorologicalelements.活动2：大气的结构是怎样的？

平流层在对流层之上，顶界伸展到50~55km，空气稀薄，占空气总质量的1/4。Thestratosphereisabovethetroposphere,withitstopboundaryextendingto50-55km.Theairisthinandaccountsfor1/4ofthetotalairmass.

平流层的最大特点是大气以平流运动为主，极少垂直方向的对流运动。Thebiggestcharacteristicofthestratosphereisthattheatmosphereisdominatedbyadvection,withverylittleverticalconvection.活动2：大气的结构是怎样的？

平流层中，空气稀薄，水蒸气极少，通常没有云、雨、雪等天气现象。没有空气上下对流引起的垂直方向的风，只有水平方向的风，而且风向稳定。

Inthestratosphere,theairisthinandthereisverylittlewatervapor,usuallywithoutweatherphenomenasuchasclouds,rain,snow,etc.Thereisnoverticalwindcausedbyairconvection,onlyhorizontalwind,andthewinddirectionisstable.活动2：大气的结构是怎样的？

自平流层顶到85公里左右为中间层（55km~85km）。Themiddlelayer(55km~85km)islocatedfromthetopofthestratospheretoaround85kilometers.

在这层大气里，气温随高度的增加而下降的很快，到顶部气温已下降到-83℃以下。Inthislayerofatmosphere,thetemperaturedecreasesrapidlywithincreasingaltitude,andatthetop,thetemperaturehasdroppedbelow-83℃.活动2：大气的结构是怎样的？从中间层顶部到高出海面800公里的高空，空气处于高度电离状态，称为电离层，又叫暖(热)层。Fromthetopofthemiddlelayertoanaltitudeof800kilometersabovetheseasurface,theairisinahighlyionizedstate,knownastheionosphere,alsoknownasthewarm(hot)layer.在这层大气里，空气密度很小，声波无法传播；据有很强的导电性、能吸收、反射和折射无线电波。Inthislayerofatmosphere,theairdensityisverylow,andsoundwavescannotpropagate;Duetoitsstrongconductivity,abilitytoabsorb,reflect,andrefractradiowaves.活动2：大气的结构是怎样的？散逸层，又叫外层。它是大气的最高层，高度最高可达到3000公里。Theescapelayer,alsoknownastheouterlayer.Itisthehighestlayeroftheatmosphere,withamaximumheightofupto3000kilometers.这一层大气的温度很高，空气十分稀薄，受地球引力场的约束很弱，一些高速运动着的空气分子可以挣脱地球的引力散逸到宇宙空间中去。Thetemperatureofthislayerofatmosphereisveryhigh,andtheairisverythin.ItisweaklyconstrainedbytheEarth'sgravitationalfield,andsomerapidlymovingairmoleculescanbreakfreefromtheEarth'sgravityandescapeintospace.活动2：大气的结构是怎样的？Whatlayerofatmosphereistheflightenvironmentofahelicopter?A、对流层顶层B、平流层顶层C、对流层底层D、平流层底层A.ToplayerofthetroposphereB.StratospheretoplayerC.TroposphericbottomlayerD.Stratospherebottomlayer01.直升机的飞行环境是哪一层大气？活动2：大气的结构是怎样的？Whatlayerofatmosphereistheflightenvironmentofahelicopter?A、对流层顶层B、平流层顶层C、对流层底层D、平流层底层A.ToplayerofthetroposphereB.StratospheretoplayerC.TroposphericbottomlayerD.Stratospherebottomlayer01.直升机的飞行环境是哪一层大气？活动3：什么是国际标准大气？03.PARTTHREEWhatarethepropertiesoftheatmosphere?活动3：什么是国际标准大气？

同一架飞机，在不同的地方试飞，应该选取哪一个作为性能标准呢？Whichoneshouldbeselectedastheperformancestandardfortestingthesameaircraftindifferentlocations?

为了便于计算、整理和比较飞机的试飞结果，并给出标准的飞机性能数据，必须有一个标准大气状态作为基准。Inordertofacilitatethecalculation,organization,andcomparisonofaircrafttestresults,andtoprovidestandardaircraftperformancedata,astandardatmosphericstatemustbeusedasabenchmark.？？？活动3：什么是国际标准大气？国际标准大气由国际民航组织（ICAO）制定的，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。TheInternationalStandardAtmosphereisestablishedbytheInternationalCivilAviationOrganization(ICAO)basedontheaverageatmosphericphysicalpropertiesinthemidlatitudesoftheNorthernHemisphere,withappropriatemodifications.国际标准大气是静止、相对湿度为零、洁净的完全气体满足理想气体状态方程：Theinternationalstandardatmospheresatisfiestheidealgasstateequation:

P——压力（Pa）pressureρ——密度（kg/m）densityR——气体常数，只与气体种类有关（空气R≈287）gasconstantT——绝对温度（K）absolutetemperature活动3：什么是国际标准大气？国际标准大气由国际民航组织（ICAO）制定的，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。TheInternationalStandardAtmosphereisestablishedbytheInternationalCivilAviationOrganization(ICAO)basedontheaverageatmosphericphysicalpropertiesinthemidlatitudesoftheNorthernHemisphere,withappropriatemodifications.以海平面作为计算高度的起点，即海平面处高度H=0；该处的大气参数值为:Usingsealevelasthestartingpointforcalculatingheight,i.e.theheightatsealevelH=0;Theatmosphericparametervaluesatthislocationare:压力（pressure）P=101325Pa温度（temperature）T=15℃密度（density）ρ=1.225(kg/m)声速（sonicspeed）a=340.29(m/s)活动3：什么是国际标准大气？标准大气的物理参数表TableofPhysicalParametersofStandardAtmosphere高度温度压力密度声速H(m)T(K)t(℃)p(kPa)p/p0ρ(kg/m3)ρ/ρ0a(m/s)-1000294.6521.5113.931.12441.3471.0996344.111-500291.418.25107.471.06071.28491.0489342.2080288.1515101.32511.2251340.2941000281.658.589.8760.8871.11170.9075336.4352000275.15279.5010.78461.00660.8217332.5323000268.66-4.4970.1210.6920.90930.7423328.5844000262.17-10.9861.660.60850.81940.6689324.5895000255.28-17.4754.0480.53340.73640.6012320.5466000249.19-23.9647.2170.4660.66010.5389316.4527000242.7-30.4541.1050.40570.590.4817312.3068000236.22-36.9335.6510.35190.52580.4292308.1059000229.73-43.4230.80.3040.46710.3813303.84810000223.25-49.926.4990.26150.41350.3376299.53211000216.77-56.3822.6990.2240.36480.297829565-56.519.3990.19150.31190.2546295.0713000216.65-56.516.5790.16360.26660.2176295.0714000216.65-56.514.170.140.22790.186295.0715000216.65-56.512.1110.11950.19480.159295.07活动3：什么是国际标准大气？

国际标准大气提供了一个不随地理位置、季节和时间变化的标准大气环境。TheInternationalStandardAtmosphereprovidesastandardatmosphericenvironmentthatdoesnotvarywithgeographicallocation,season,ortime.

设计飞机时应按此标准计算飞机的飞行性能，飞机试飞结果也应换算成标准大气条件下的结果。Whendesigninganaircraft,theflightperformanceshouldbecalculatedaccordingtothisstandard,andthetestflightresultsshouldalsobeconvertedintoresultsunderstandardatmosphericconditions.？？？活动3：什么是国际标准大气？

飞机飞行手册中列出的飞行性能数据是在国际标准大气的条件下得出的。Theflightperformancedatalistedintheaircraftflightmanualareobtainedunderinternationalstandardatmosphericconditions.

要得出在实际大气情况下的飞机飞行性能，必须根据实际大气情况对性能数据进行修正。Toobtaintheaircraft'sflightperformanceunderactualatmosphericconditions,performancedatamustbecorrectedbasedontheactualatmosphericconditions.？？？活动3：什么是国际标准大气？实际大气和国际标准大气之间的互相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，即ISA偏差，以此作为确定飞机性能的基本条件。Themaintaskofconvertingtheactualatmospheretotheinternationalstandardatmosphereistodeterminethetemperaturedeviationbetweentheactualatmosphereandtheinternationalstandardatmosphere,namelytheISAdeviation,asabasicconditionfordeterminingaircraftperformance.ISA偏差计算：ISAdeviationcalculation:

H为海拔高度，单位：英尺。Histhealtitudeinfeet.活动3：什么是国际标准大气？Itisknownthatacertainairporthasatemperatureof20℃andapressurealtitudeof2000feet.Request:ISAdeviationatairportaltitude.已知某机场场温20℃，机场压力高度2000英尺。求：机场高度处ISA偏差。活动3：什么是国际标准大气？在压力高度为2000英尺的机场处，ISA标准温度应为：T标准=15℃-(2℃/1000ft)×2000ft=11℃，而实际温度为：T实际=20℃，所以，ISA偏差即温度差为：ISA偏差=T实际-T标准=20℃-11℃=9℃，表示为：ISA+9℃Summary总结01什么是大气呢？Whatisatmosphere?任务一：认识大气Understandingtheatmosphere02大气的由什么组成呢？Whatisthecompositionoftheatmosphere?03地球大气的结构是怎样的呢？WhatisthestructureoftheEarth'satmosphere?04什么是国际标准大气？WhatistheInternationalStandardAtmosphere?模块二：大气基本原理BasicPrinciplesofAtmosphere任务二：大气的物理性质Thephysicalpropertiesoftheatmosphere直升机空气动力学与飞行原理Helicopteraerodynamicsandprinciplesofflight活动1：大气有哪些基本性质呢？01.PARTONEWhatarethepropertiesoftheatmosphere?活动1：大气有哪些基本性质呢？大气基本状态参数温度Temperature压力Pressure密度Density黏性Viscosity1压缩性Compressibility2声速Sonicspeed3与航空器飞行有关的物理参数活动1：大气有哪些基本性质呢？密度Density单位体积内流体的空气质量，简单来说就是空气稠密的程度。Theairmassofafluidperunitvolume,insimpleterms,isthedegreeofairdensity.

国际单位制中，单位为kg/m3IntheInternationalSystemofUnits,theunitiskg/m3空气密度大，说明单位体积内的空气分子多、分子质量大，比较稠密；反之相反。Ahighairdensityindicatesthattherearemanyairmoleculesperunitvolume,withahighmolecularweightandarelativelydensedensity;Onthecontrary,theoppositeistrue.活动1：大气有哪些基本性质呢？密度Density由于地球引力的作用，大气的密度随高度的增加而减少，近似按指数曲线变化。DuetothegravitationalpulloftheEarth,thedensityoftheatmospheredecreaseswithincreasingaltitude,approximatelyfollowinganexponentialcurve.

活动1：大气有哪些基本性质呢？温度Temperature大气温度是指大气层内空气的冷热程度。Atmospherictemperaturereferstothedegreeofheatandcoldoftheairintheatmosphere.温度高低表明了空气分子不规则热运动平均速度的大小。温度高，分子的运动速度大，即平均动能大。Thetemperatureindicatestheaveragevelocityofirregularthermalmotionofairmolecules.Whenthetemperatureishigh,themolecularmotionspeedishigh,thatis,theaveragekineticenergyishigh.活动1：大气有哪些基本性质呢？温度Temperature在大约11km高度以下的大气层内，随着高度的增加，大气温度下降，近似按线性变化Intheatmospherebelowanaltitudeofapproximately11km,asthealtitudeincreases,theatmospherictemperaturedecreasesandapproximatelychangeslinearly.活动1：大气有哪些基本性质呢？温度Temperature温度的三种表示方法：Therearethreewaystorepresenttemperature:摄氏温度（℃）华氏温度（°F）绝对（开氏）温度（°T）换算公式

TK=TK+273.15活动1：大气有哪些基本性质呢？温度Temperature华氏度是以其发明者，德国人华伦·海特命名的。1714年，他发现液体金属水银比酒精更适合制造温度计，便以水银为测温介质，发明了玻璃水银温度计，选取氯化铵和冰水的混合物的冰点温度为温度计的零度，人体温度为温度计的100度。在标准大气压下，冰的熔点为32华氏度，水的沸点为212华氏度，中间有180等分，每等分为华氏1度，记1华氏度。活动1：大气有哪些基本性质呢？压力Pressure大气层内空气的压强，即物体单位面积上承受的空气的垂直作用力。Thepressureofairintheatmosphere,whichistheverticalforceofairbornebyanobjectperunitarea.气体对物体表面产生压力的原因：Thereasonwhygasesexertpressureonthesurfaceofobjects:上层空气的重力对下层空气造成了压力。Thegravityoftheupperaircreatespressureonthelowerair.空气分子不规则的热运动。Theirregularthermalmotionofairmolecules.活动1：大气有哪些基本性质呢？压力Pressure常用表示大气压强的单位：Theunitcommonlyusedtorepresentatmosphericpressureis:毫米汞柱(mmHg)Millimetermercurycolumn帕（Pa）Pascal每平方英寸磅（psi）Poundspersquareinch海平面，温度为15℃时，大气压力为一个标准大气压力Atsealevelandtemperatureof15℃,atmosphericpressureisastandardatmosphericpressure一个标准大气压力具体数值：Aspecificvalueofstandardatmosphericpressure:760mmHg101325Pa、14.6959psi活动1：大气有哪些基本性质呢？压力Pressure在地球大气中，高度越高，大气压强就越低。IntheEarth'satmosphere,thehigherthealtitude,thelowertheatmosphericpressure.活动2：大气的哪些性质和飞行直接相关呢？02.PARTTWOWhatarethepropertiesoftheatmosphere?活动2：大气的哪些性质和飞行直接相关呢？黏性是流体固有的属性，一切流体均具有粘性。Viscosityisaninherentpropertyoffluids,andallfluidshaveviscosity.黏性在生活中，我们感觉油总是“黏糊糊的”，水却很清爽。Inlife,wefeelthatoilisalways"sticky",whilewaterisveryrefreshing.活动2：大气的哪些性质和飞行直接相关呢？对黏性的感知与物体的物理尺度和运动速度有关。Theperceptionofstickinessisrelatedtothephysicalscaleandvelocityoftheobject.黏性蜜蜂感受到的空气粘性相当于人类在水中游泳。Theairviscosityfeltbybeesisequivalenttohumanswimminginwater.活动2：大气的哪些性质和飞行直接相关呢？当流体内两相邻流层的流速不同时，或流体与物体间发生相对运动时，两个流层接触面上产生相互粘滞和相互牵扯的力，这种特性就是流体的黏性。Whentheflowvelocityoftwoadjacentflowlayersinafluidisdifferent,orwhenrelativemotionoccursbetweenthefluidandtheobject,mutualviscosityandtractionforcesaregeneratedonthecontactsurfaceofthetwoflowlayers,whichistheviscosityofthefluid.黏性活动2：大气的哪些性质和飞行直接相关呢？流体的黏性力与相邻流层的速度差、接触面的面积成正比，和相邻流层的距离成反比。Theviscousforceofafluidisdirectlyproportionaltothevelocitydifferenceandcontactsurfaceareaofadjacentflowlayers,andinverselyproportionaltothedistancebetweenadjacentflowlayers.黏性活动2：大气的哪些性质和飞行直接相关呢？

黏性F—流体的黏性力；Δv/Δy—在层流的垂直方向上，每单位长度速度变化量，叫做横向速度梯度；ΔS—接触面的面积；μ—横向速度梯度为1时，在流层单位接触面上产生的黏性力，称为流体的黏度系数（动力黏度系数）；单位是Pa·s（帕·秒）。F-viscousforceoffluid;ΔV/ΔY-Intheverticaldirectionoflaminarflow,thechangeinvelocityperunitlengthiscalledthelateralvelocitygradient;ΔS-Areaofcontactsurface;μ—Whenthelateralvelocitygradientis1,theviscousforcegeneratedontheunitcontactsurfaceoftheflowlayeriscalledtheviscositycoefficient(dynamicviscositycoefficient)ofthefluid;TheunitisPa·s(Pa·s).活动2：大气的哪些性质和飞行直接相关呢？

黏性不同流体具有不同的粘度系数，同一流体的粘度系数又随温度而变化；流体黏度随着温度变化的特性又称为流体的黏温特性。Differentfluidshavedifferentviscositycoefficients,andtheviscositycoefficientofthesamefluidvarieswithtemperature;Thecharacteristicoffluidviscositychangingwithtemperatureisalsoknownastheviscositytemperaturecharacteristicofafluid.活动2：大气的哪些性质和飞行直接相关呢？气体的粘度系数随温度的升高而增大，液体的粘度系数随温度的升高而减小。Theviscositycoefficientofagasincreaseswiththeincreaseoftemperature,Theviscositycoefficientofaliquiddecreaseswithincreasingtemperature.为何二者相反呢？Whyarethetwoopposite?黏性活动2：大气的哪些性质和飞行直接相关呢？黏性气体产生黏性的物理原因：气体分子不规则运动造成各流层分子交换而带来的动量交换。Thephysicalreasonsforgasviscosity:Theirregularmovementofgasmoleculescausestheexchangeofmoleculesindifferentflowlayers,resultingintheexchangeofmomentum.温度升高时，分子不规则运动加剧，各流层交换的分子数量增加，交换动量增加。Asthetemperatureincreases,theirregularmovementofmoleculesintensifies,andthenumberofmoleculesexchangedbetweendifferentflowlayersincreases,resultinginanincreaseinexchangemomentum.活动2：大气的哪些性质和飞行直接相关呢？黏性而液体产生黏性的物理原因：各流层分子之间的内聚力。Thephysicalreasonfortheviscosityofliquid:Thecohesionbetweenmoleculesineachflowlayer.温度升高时，液体分子的不规则运动加剧，分子之间的距离加大，内聚力也随之减小。Asthetemperaturerises,theirregularmovementofliquidmoleculesintensifies,thedistancebetweenmoleculesincreases,andthecohesiondecreasesaccordingly.活动2：大气的哪些性质和飞行直接相关呢？黏性当大气流过物体时，只有紧贴物体表面的气流层中横向速度梯度较大，空气的粘性表现得比较明显。Whentheatmosphereflowsthroughanobject,onlythelateralvelocitygradientintheairflowlayerthatisclosetothesurfaceoftheobjectislarge,andtheviscosityoftheairismorepronounced.粘性明显粘性不明显活动2：大气的哪些性质和飞行直接相关呢？黏性在离开物体表面较远的外部区域，气流层中横向速度梯度很小，粘性力也很小，一般情况下可以忽略空气的粘性作用。Intheexternalareafarawayfromthesurfaceoftheobject,thelateralvelocitygradientintheairflowlayerisverysmall,andtheviscousforceisalsoverysmall.Ingeneral,theviscouseffectoftheaircanbeignored.粘性明显粘性不明显活动2：大气的哪些性质和飞行直接相关呢？黏性没有粘性的流体称为理想流体，当不考虑粘性作用时，可以把空气当作理想流体来处理。Afluidwithoutviscosityiscalledanidealfluid,andwhenviscosityisnotconsidered,aircanbetreatedasanidealfluid.静止流体Staticfluid均匀流动uniformflow活动2：大气的哪些性质和飞行直接相关呢？压缩性气体：根据速度，分为可压缩和不可压缩。当气体流速比较低时（0.3倍声速以下），可以视为不可压缩流体。Gas:Accordingtovelocity,itisdividedintocompressibleandincompressible.Whenthegasflowrateisrelativelylow(below0.3timesthespeedofsound),itcanbeconsideredanincompressiblefluid.液体：（几乎不可压缩）一般视作不可压缩的。Liquid:(almostincompressible)i