第三章-飞机飞行的原理

第三章飞机飞行原理第一节大气的基本性质•不论是轻于空气的飞行器还是重于空气的飞行器，都要在大气层中飞行。航天器在发射和返回地球时，也要通过大气层。大气层包围着地球，并随地球旋转着，从地面以上，随着高度的增加，大气密度、压力、温度和声速也在变化着。•大气这些物理性质的变化：•首先，直接影响飞行器的空气动力性能，大约在50~100千米的高度上，空气升力就基本上消失;•其次，气象是与大气运动直接有关的十分复杂的现象，在高度32千米以下与飞行有着密切的联系;•再者，飞行器发动机的工作状况也受大气的影响，特别是•空气密度随着高度的增加而减小，发动机功率会相应减小并产生其他方面的变化;•最后，飞行高度愈高，周围环境与地面的差异也愈大，对人体的影响也愈大。为了保证飞行器中乘员的生命安全及正常的生存条件，有必要创造一个适合人体需要的舱内环境。•基于上述原因，我们在研究空气动力学和飞行器时，要先对空气的基本性质和大气的状况有所了解。一、大气的结构和气象要素•在讨论大气中的气象现象及天气过程时，可将大气看作一种混合物，它由三个部分组成：干洁空气、水汽和大气杂质。•干洁空气是构成大气的最主要部分，一般意义上所说的空气，就是指这一部分。空气是由不同成分的气体分子所组成的。这些分子不停地、无规则地运动着，分子之间有着很大的自由距离。分子以不同的运动速度向不同方向运动，并且互相碰撞，它们的动能以热能和压力的形式表现出来。空气按体积计算，氮气约占78%，氧气约占21%，其余为二氧化碳、氢、氢、氖、氦等气体。•在构成空气的多种成分中，对天气影响较大的是二氧化碳和臭氧。二氧化碳对地球具有温室效应的作用。臭氧能强烈吸收太阳紫外线，臭氧层通过吸收太阳紫外辐射而增温，改变了大气温度的垂直分布，同时，也使地球生物免受了过多紫外线的照射。•地表和潮湿物体表面的水分蒸发进入大气就形成了大气中的水汽。大气中的水汽含量平均约占整个大气体积的0%~5%左右，并随着高度的增加而逐渐减少。•水汽是成云致雨的物质基础，因此大多数复杂天气都出现在中低空，高空天气往往很晴朗。水汽随大气运动而运动，并可在一定条件下发生状态变化，即气态、液态和固态之间的相互转换。•大气杂质又称为气溶胶粒子，是指悬浮于大气中的固体微粒或水汽凝结物。固体微粒包括烟粒、盐粒、尘粒等。烟粒主要来源于物质燃烧，盐粒主要是溅入空中的海水蒸发后留下的盐核，而尘粒则是被风吹起的土壤微粒和火山喷发后在空中留下的尘埃。水汽凝结物包括大气中的水滴和冰粒。在一定的天气条件下，大气杂质常聚集在一起，形成各种天气现象，如云、雾、雨、雪、风沙等，它们使大气透明度变差，并能吸收、散射和反射地面和太阳辐射，影响大气的温度。•为了描述大气状态的变化，引入了气温、气压、湿度、能见度和风、云等基本气象要素。•1.气温的概念•气温是指空气的冷暖程度。空气冷热程度的实质是空气分子平均动能大小的表现。当空气获得热量时，它的分子平均动能增加，气温也就升高;反之则为减小，气温随之降低。所以，气温的高低，反映了空气分子平均动能的大小。•气温通常用三种温度来量度，即摄氏温度(℃)、华氏温度(°F)和绝对温度(K)。摄氏温度将标准状况下纯水的冰点定为0℃，沸点定为100°C，其间分为100等分，每一等分为1℃。华氏温度是将纯水的冰点定为32°F,沸点定为212°F，其间分为180等分，每一等分为1°F，可见1℃与1°F是不相等的。将摄氏度换算为华氏度的关系式为:•在理论计算中，常使用绝对温度的概念。当空气分子停止不规则的热运动时，即分子的运动速度为零时，我们把此时的温度作为绝对温度的零度。绝对温度用开氏度(K)表示，绝对温度的零度相当-273摄氏度。气温的变化直接影响着飞机的飞行性能，•例如当气温升高时，则大气密度必然会减小，空气的压缩性差，使发动机的推力减小;当气温降低时，空气密度加大，自然发动机功率也加大，平飞最大速度也增加。经过试验，气温由+30℃下降到-30°C，发动机功率可以相差45%。•气温的高低还会影响升限（是指航空器所能达到的最大平飞高度。达到一定高度时，航空器因推力不足，已无爬高能力而只能维持平飞，此高度即为航空器的升限。）。当气温升高后飞行会出现掉高（飞机降低高度）现象，而在降低气温的条件下飞行时，可以增大升限。•气温的高低最为主要的是影响着飞机的起飞和着陆。在低气温条件下，空气密度大，飞机增速快，升力也大，起飞滑跑距离要短一些;当气温较高时，空气密度小，发动机功率减小，飞机增速慢，升力也减小，因此需要的起飞滑跑距离要增长。同样的道理，在高气温条件下着陆时，空气密度小、阻力小，飞机减速慢，需要的滑跑距离长，反之则需要的距离短。•此外，气温的高低还影响着飞机的燃油消耗，一般情况下，气温升高，燃油消耗也会增加，气温下降，燃油消耗率也随之下降。•2.气压•气压就是大气压强，是指任何表面的单位面积上承受空气柱的重量。度量气压的单位为帕斯卡，简称帕，符号是Pa。另一常用气压单位是毫米水银柱高(mmHg)，在气象学上规定，气温为0℃，纬度为45°的海平面气压，称作一个大气压，其值为760毫米汞柱。该值相当于1013025帕。•气压的大小和高度、温度、密度有关，一般情况下随高度的升高而降低。通常在标准条件下高度每升高11米，气压降低1毫米汞柱，并依此规律来测量飞行高度，因而气压也就成了重要的大气资料。•3.湿度湿度是指空气中水汽的含量，即潮湿的程度。湿度通常用绝对湿度、水汽压、比湿、相对湿度和露点温度来表示。绝对湿度:单位体积中所含水汽的质量。又称水汽密度。水汽压:潮湿空气中水汽的分压。它是气压的一部分。在温度一定的情况下，单位体积空气中能容纳的水汽量有一定的限度如果水汽含量达到了这个限度，就是饱和空气。此时的水汽压叫饱和水汽压。比湿:湿空气中水汽质量和潮湿空气质量之比。即在1000克湿空气中含有多少克水汽。相对温度:为空气中的实际水汽压与同温度的饱和水汽压的百分比。露点温度:当空气中水汽含量不变且气压一定时，气温降低到使空气达到饱和时的温度称为露点温度，简称露点。上述数据就是分析天气形势的重要参数，在这些参数中，核心是水汽。水汽由地球表面蒸发而来;水汽进人大气后，在一定条件下，会凝结产生云、雾、雨、雪等天气现象，从而影响着飞机的飞行。能见度是指正常视力者能看清目标轮廓的最大水平距离。对飞行员来说，最重要的是跑道能见度（着陆能见度），它是指飞机在下降着陆过程中飞行员能看清跑道近端的最远距离。影响能见度的因素很多，主要的是受大气透明度(如云、雾、烟、沙尘及水滴等直接影响着大气的透明状况因素)，夜间的灯光强度等。风是指空气的水平流动。风的存在使飞机的飞行增加了一定的复杂性，它直接影响着起飞、着陆、巡航和油量的消耗。机场跑道方向是固定的，而风的矢量是经常变化。因此，实际上起飞、着陆往往是在侧风条件下进行。侧风使飞机偏离跑道，而且侧风角度越大或者风速越大，偏离得越利害。所以在侧风中根据具体情况作必要的修正，才能保证对准跑道，安全起降。飞机着陆遇侧风云是空中水气的凝结物。云的不同形状和变化，既能反映当时大气运动的状态，又能预示未来的天气变化，有经验的飞行人员把云称为“空中地形”和“空中的路标”。云对飞行的影响有以下几点：（1）低云妨碍飞机的起飞、降落。（2）云中飞行可能出现颠簇。（3）云中飞行还可能造成飞机积冰。降水是云雾中的水滴或冰晶降到地面的现象。降水通常指雨、雪、冰、雹等。降水对飞行的影响:1．降水使能见度减小。2．过冷雨滴会造成飞机结冰。3.低空降水产生的碎雨云，直接影响着飞机的起飞、着陆。4．降水影响了跑道的正常使用。降水改变了滑行阶段的摩擦系数，增长了滑行距离。跑道可分为干跑道和湿跑道二类，干跑道属于正常起降，而湿跑道，则要分下面四种情况：（1）湿跑道——虽经降水，并无积水时，可以正常起降。（2）积水跑道——因降水太大或道面排水不良引起跑道积水时，飞机轮胎与道面间有一层极薄的水膜，使摩擦力显著减小，滑跑距离增大，造成所谓的“滑水”现象。（3）结冰跑道——道跑道结冰后，改变了摩擦系数，不仅延长了滑行距离，而且方向也不好掌握。（4）积雪跑道——积雪和积水相似，但要分干雪、湿雪和溶雪。积雪不能起飞、也不能着陆。所以，要尽快除雪，否则可到备降场降陆。二、大气飞行环境•按照大气在铅直方向的各种特性，将大气分成若干层次。按大气温度随高度分布的特征，可把大气分成对流层、平流层、中间层、电离（热）层和散逸层。1、对流层对流层是大气的最下层。它的高度因纬度和季节而异。就纬度而言，低纬度平均为17～18公里；中纬度平均为10～12公里；高纬度仅8～9公里。就季节而言，对流层上界的高度，夏季大于冬季。对流层的主要特征：①气温随高度的增加而递减，平均每升高100米，气温降低0.65℃。其原因是太阳辐射首先主要加热地面，再由地面把热量传给大气，因而愈近地面的空气受热愈多，气温愈高，远离地面则气温逐渐降低。②天气的复杂多变。对流层集中了75％大气质量和90％的水汽，因此伴随强烈的对流运动，产生水相变化，形成云、雨、雪等复杂的天气现象。③空气有强烈的对流运动。地面性质不同，因而受热不均。暖的地方空气受热膨胀而上升，冷的地方空气冷缩而下降，从而产生空气对流运动。对流运动使高层和低层空气得以交换，促进热量和水分传输，对成云致雨有重要作用。2、平流层自对流层顶向上50~55公里高度，为平流层。其主要特征：①温度随高度增加由等温分布变逆温分布。平流层的下层随高度增加气温变化很小。大约在20公里以上，气温又随高度增加而显著升高，出现逆温层。这是因为20～25公里高度处，臭氧含量最多。臭氧能吸收大量太阳紫外线，从而使气温升高。②垂直气流显著减弱。平流层中空气以水平运动为主，空气垂直混合明显减弱，整个平流层比较平稳。③水汽、尘埃含量极少。由于水汽、尘埃含量少，对流层中的天气现象在这一层很少见。平流层天气晴朗，大气透明度好。3、中间层•从平流层顶到85公里高度为中间层。•其主要特征：①气温随高度增高而迅速降低，中间层的顶界气温降至－83℃～－113℃。因为该层臭氧含量极少，不能大量吸收太阳紫外线，而氮、氧能吸收的短波辐射又大部分被上层大气所吸收，故气温随高度增加而递减。②出现强烈地对流运动。这是由于该层大气上部冷、下部暖，致使空气产生对流运动。但由于该层空气稀薄，空气的对流运动不能与对流层相比。4、电离层•从中间层顶到800公里高度为电离层。电离层的特征：①随高度的增高，气温迅速升高。据探测，在300公里高度上，气温可达1000℃以上。这是由于所有波长小于0.175微米的太阳紫外辐射都被该层的大气物质所吸收，从而使其增温的缘故。故电离层又称为暖层。②空气处于高度电离状态。这一层空气密度很小，在270公里高度处，空气密度约为地面空气密度的百亿分之一。•由于空气密度小，在太阳紫外线和宇宙射线的作用下，氧分子和部分氮分子被分解，并处于高度电离状态，电离层具有反射无线电波的能力，对无线电通讯有重要意义。5、散逸层•电离层顶以上，称外层。它是大气的最外一层，也是大气层和星际空间的过渡层，但无明显的边界线。这一层，空气极其稀薄，大气质点碰撞机会很小。气温也随高度增加而升高。由于气温很高，空气粒子运动速度很快，又因距地球表面远，受地球引力作用小，故一些高速运动的空气质点不断散逸到星际空间，散逸层由此而得名。•据宇宙火箭资料证明，在地球大气层外的空间，还围绕由电离气体组成极稀薄的大气层，称为“地冕”。它一直伸展到22000公里高度。由此可见，大气层与星际空间是逐渐过渡的，并没有截然的界限。•从地表到太空依次为：对流层[天气现象形成区]、平流层[民航飞机飞行区]、中间层[下部为臭氧层，上部空气稀薄]、电离层[气象气球飞行区]、散逸层（外层）[卫星飞行区]•对流层、中间层[温度随高度增高而下降]•平流层、电离层、散逸层[温度随高度增高而上升]•大气温度随高度增高而稀薄•大气厚度5000万米（1000米以上空气密度几乎为零）三、国际标准大气•地球的周围被厚厚的空气包围着，这些空气被称为大气层。空气可以向