航天概论课件第二章

航天概论第二章飞行原理2.1飞行环境2.1.1地球与引力场☆地球的基本情况·近似一个椭球体，长半轴6378.16公里，短半轴6356.85公里。·质量为5.976×1024公斤，平均密度为水的5.5倍。·绕太阳公转一周的时间为365.25天，绕自身的极轴自转一周的时间为23小时56分4.1秒。☆标准地球·为了研究工作的方便，通常用一个标准的旋转椭球或圆球逼近同质量的地球。·世界各国都规定了本国的标准地球参数，我国在1985年10月发布的标准地球参数：参数名称符号单位数值地球赤道半径dm6378140地球扁率的倒数1/α298.257地球自转角速度ωrad/s7.292115×10-5地球引力常数GMm3/s23.986005×1014地球平均半径Rmm6371004☆地球的引力场将航天器送入宇宙空间，首先要克服地球的引力。·由万有引力定律：地球表面上的物体与地球间的吸引力为221rmmGF2RmGMF·随着高度的增加，地球引力减小。·物体的重力是地球引力和地球的自转离心力的合力。·同一物体在不同地区所受的重力不同。2.1.2地球大气环境☆地球大气·指在地球引力作用下，在地球周围形成的气体包层。·大气总质量的80%集中在离地球表面15公里的高度以内，总质量的99.9%在50公里高度以内。·2000公里高度以上，大气极其稀薄，逐渐向行星际空间过渡，没有明显的上界。一般可认为大气的上界为2000～3000公里高度。☆大气的分层·按照不同高度的大气特性，将大气层划分为五层：（1）对流层（0～15公里）特点：气温随高度增加而降低，风向和风速经常变化，空气上下对流激烈，有云、雨、雾、雪、雷电等天气现象。（2）平流层（15～50公里）大气主要作水平方向流动，没有上下对流，也没有云、雨、雾、雪、雷电等天气现象。20公里以下为同温层，气温保持217K，不随高度变化。（3）中间层（50～80公里）质量仅占大气总质量的三千分之一。气温从同温层上界开始先是随高度升高，在53公里高度气温达到283K，然后气温随高度下降，在80公里处降到197K左右。（4）热层（80～400公里）由于受到太阳短波辐射的缘故，气温随高度增加而上升，可达1500～1600K。由于受太阳强烈辐射的作用，空气分解成离子态，形成几个电离层。电离层的变化会影响飞行器的无线电通信。（5）散逸层（400公里以上）空气极为稀薄，远离地球表面，受地球引力的作用小，因而大气分子不断地向星际空间逃逸。这一层内的空气质量只占大气质量的一百亿分之一，与太空没有明显的界限。航天器离开散逸层后便进入太空飞行。☆标准大气·大气的密度、压力和温度等参数随高度、季节、昼夜、纬度变化。·飞行器的飞行性能与大气参数密切相关，为飞行器设计和工程计算的方便，必须以一定的大气参数作为衡量的标准。·世界各国都规定了本国统一的大气状态参数标准，称为标准大气。·我国采用国际标准大气，并由国家标准总局发布作为国家标准。·标准大气主要包括如下规定：①大气为静止、干燥的理想气体，服从状态方程：p=ρRT②以海平面高度为零，海平面上空气的标准状态参数为：气温t0=15℃（即绝对温度T0=288.15K）；密度ρ0=1.225kg/m3；压力p0=101325Pa；音速a0=340.294m/s；③大气状态参数随高度变化的计算公式。·根据这些规定，即可确定不同高度的大气状态参数，包括温度、密度、压力和音速。2.1.3空间环境☆什么是空间环境？·指航天器在轨道运行时所遇到的自然环境和人为环境，包括真空、高层大气、电离层、地磁场、地球辐射带、宇宙线、太阳电磁辐射、微流星和空间垃圾等等·人造地球卫星、载人飞船和空间站一般在200公里以上高空运行，处于高热层和散逸层之中，高层大气、地球辐射带、微流星和空间垃圾对航天器的影响比较显著。（1）高层大气——指30公里以上的大气层。·密度只有地面的十万亿分之一，主要成分是氧、氦和氢原子。·航天器的速度高达每秒8公里以上，尽管密度很小，大气阻力对航天器的影响仍然不能忽略。特别是近地轨道上的航天器。·氧原子有很强的氧化和剥蚀作用。对复合材料表面、太阳电池阵和表面温控涂层等的影响严重，须采取防护措施。（2）地球辐射带地球周围空间，存在强度很大的带电粒子。在地球磁场的作用下，聚集而形成强度不同的辐射能带，围绕地球呈双层环状的内外辐射带，只在地球两磁极区形成不被辐射带包围的两个“窗口”。·内辐射带主要由高能质子组成，分布在南北纬40°之间，离地面600～1000公里范围。在南大西洋异常区，内辐射带下界降低到200公里左右。·外辐射带的主要成分是电子和低能质子，分布在离地面1～6万公里范围，中心位置离地面2万公里左右，纬度边界为55°～70°。☆高能带电粒子对航天器的影响：辐射剂量效应·大量高能带电粒子对航天器和航天员的累积效应。单粒子翻转事件·由单个带电粒子引起的，能导致航天器的各种微电子器件极性翻转或闭锁，破坏电子器件的正常工作。（3）微流星和空间垃圾微流星·宇宙空间高速运动的天然微粒，直径大部分为0.1～10微米，质量大多小于1毫克，相对地球的速度达到每秒10～70公里。·通常沿大椭圆轨道运行，在近地轨道附近的停留时间短。对航天器的影响·裸露的太阳电池阵和光学表面有破坏作用。·较大的微流星可能击穿航天器的舱壁。·载人飞船和空间站设有微流星保护壳或防护罩。空间垃圾·包括失效的航天器、末级运载火箭、空间武器试验产生的爆炸碎片以及火箭和航天器的排出物等。·空间垃圾大部分在围绕地球的近地轨道上飞行，对航天器的威胁更大。·近年来，对空间垃圾的观测、控制和防护等问题已引起各国的重视。2.2空气动力学的基本概念2.2.1流动空气的特性特性1：流速和截面的关系·同一时间内通过任一截面的空气质量应该相等：m1=m2·单位时间内流过该截面的空气质量为m=ρVA·ρ1V1A1=ρ2V2A2·不难推断，在管道内任一截面处的ρVA都相等，即ρVA=常数——连续方程·低速流动时，空气不可压缩，密度ρ不变，这时连续方程改写为VA=常数表明：低速不可压流体在流动过程中流速与截面积成反比，在截面变化的管道中流动时，截面积大的地方流速低，截面积小的地方流速高。特性2：压力和流速的关系试验结表明：流速大的地方空气的压力小，流速小的地方空气的压力大。伯努利方程：1738年瑞士科学家伯努利首先导出变截面管道内流体流速和压力的关系：伯努利方程表明：低速气流在管道中流动时，任意截面处的动、静压之和等于总压p0。也就是说在流场中，任意一点处的总压都相等。显然，气流的速度增大，动压也就增大，相应的静压就减小。常数2021vpp2.2.2升力和阻力R——总空气动力，将R进行分解：·垂直气流方向的分量Y——升力，·顺气流方向的分量X——阻力。（1）升力由于翼剖面上下不对称，上表面的流管比下表面的流管细。由连续方程和伯努利方程，上表面的流速比下表面的流速大，上表面的压力比下表面的低，上下表面形成压力差，从而产生向上的升力Y。（2）阻力·分为摩擦阻力、压差阻力和诱导阻力。摩擦阻力空气流过飞行器表面时，紧贴表面空气的速度为零，从表面向外，气流速度一层层增大。气流不同速度层之间产生内摩擦力。摩擦力一层层传递，最后传递给飞行器表面产生与飞行方向相反的作用力，就是摩擦阻力。压差阻力由飞行器前方和后方的压力差造成的。·气流在翼面前缘部分受到阻挡，速度减慢，压力升高；在气流流经翼表面时，由于粘性作用造成的离开翼表面的速度变化，形成旋涡，到翼面后缘形成压力下降的涡流区，使翼面前后形成压力差，产生向后的压差阻力。诱导阻力诱导阻力是伴随升力产生的。·在翼尖部位，由于上下翼表面压差的存在，气流会由下表面向上表面流动，形成翼尖绕流。使得流过翼尖内侧翼面的气流向下偏离，形成下洗流。这样，使得气流产生的总升力也向后倾斜。按来流方向将其分解为升力Y和阻力X。显然X是由于Y诱导出来的，称为诱导阻力。（3）升力系数和阻力系数升力和阻力与飞行器产生升力的面积S和动压q=1/2ρV2成正比。为便于表示飞行器的升力特性，通常用无因次的比例系数来表示飞行器的升力和阻力特性：升力系数：阻力系数：SVYCY221SVXCX2212.2.3激波、膨胀波和音障(1)高速气流的特性·气流以接近或超过音速的速度流经一物体时，空气将发生强烈的压缩和膨胀现象，压力、密度和温度都会发生显著的变化。·由于流动中气流的密度发生变化，VA=常数就不再成立。·高速气流服从如下方程式：称为马赫数。dA是管道截面积A的变化量，dV是气流速度V的变化量。VdVMaAdA)1(2aVaMa·可以发现，当Ma＜1和Ma＞1时，dA和dV之间的关系时截然不同的。·当Ma＜1时，dA和dV是异号关系，就是说在亚音速流动时，随着截面积变小，流速增大，截面积变大，流速减小。·当Ma＞1时，dA和dV是同号，所以在超音速流动时，随着截面积变小，流速减小，截面积变大，流速增大。拉瓦尔喷管用于产生超音速流（2）激波和膨胀波激波·当飞行器以超音速在空气中飞行时，飞行器前面的空气来不及让开，就被继续前进的飞行器压缩起来，形成一个被强烈压缩的空气突跃面，称为激波。·激波前后的空气压力、密度和温度突然升高。·激波有一定的厚度，大约为千分之一到万分之一毫米，这个厚度很小，完全可以忽略而看作是突跃面。·激波有正激波和斜激波之分。正激波指波面与飞行速度垂直的激波，斜激波则是波面相对于飞行速度倾斜成一定角度的激波。钝头的飞行器产生正激波，尖头的飞行器产生斜激波。·决定激波强度的一个重要因素是飞行器飞行的马赫数，Ma数越大，激波越强。决定激波强度的另一个因素是波面的角度，正激波最强，斜激波的倾斜程度越大，激波越弱。膨胀波·是超音速气流平行于物面流动时，物面突然出现一个向外的转折角时所出现的另一种现象。如图，物面有一个向外的转折角ω，随着截面积变大，流速将增大。而且空间突然增大，气流将发生膨胀，密度、温度和压力都会降低，形成一个扇形的气流参数连续变化的扰动区，就是膨胀波。(3)波阻和音障波阻·菱形翼剖面超音速气流产生的激波和膨胀波的情况：·波阻的大小与激波的强度有关，激波的强度又取决于飞行器的外形，钝头体产生脱体的正激波，强度大，波阻也大。尖头体产生附体的斜激波，强度较弱，波阻也较小。所以，一般超音速飞行器的头部是尖的，翼前缘的圆角很小，而且翼型很薄。跨音速区·当速度接近音速但还未达到音速时，飞行器表面的局部区域（如翼的上表面）的最大流速就已经达到或超过当地音速，出现局部超音速区并产生激波。·通过激波后的气流速度下降，当飞行速度超过音速但还接近音速时，飞行器表面的局部区域（如带迎角翼的下表面）可能出现局部亚音速区。·这种存在局部超音速区或局部亚音速区的飞行速度范围称为跨音速区。音障·在跨音速区，由于激波位置、局部超音速区和局部亚音速区的位置和范围随飞行速度变化，使得压心（升力合力的作用点）位置不稳定；·激波与飞行器表面气流的边界层相互作用引起边界层分离，导致飞行器表面发生剧烈抖振，飞行阻力也明显增大。·飞行变得很不稳定而难以操纵。有时抖振太激烈还导致结构破坏，造成机毁人亡的悲惨事故。这就是所谓的“音障”。2.2.4气动加热、热障和黑障气动加热·高速飞行时，由于空气的阻滞和摩擦作用，动能变为热能，飞行器表面空气的温度首先升高，然后通过对流、辐射和传导作用，气体的热量不断传给飞行器表面，导致飞行器表面温度不断升高，这种现象称为“气动加热”。·气动加热的剧烈程度主要与飞行速度有关，一般与Ma数的平方成正比。其次与飞行高度、外形和表面物性有关。热障·气动加热使得飞行器表面温度升高，导致飞行器结构材料性能下降，并产生热应力，使结构的强度和刚度下降，甚至造成结构破坏，从而对飞行器进一步提高速度造成难以克服的技术障碍。·返回式卫星或载人飞船重返大气层时，再入速度高达7公里/秒，飞行器端头附近的空气温度可高达数千℃，压力可达十几兆帕，热流高达每平方米几万焦耳。在这样的热环境下，一般的金属材料都将被烧融，必须采用特殊的耐高温材料，或者采取相应的