飞机性能——飞行的大气环境

1.1飞行的大气环境
1.1.1大气的基本状况
飞机在大气中飞行，大气的温度、压强、密度对飞机的飞行性能有重要影响。

在不同的经度、纬度、高度（三维空间位置）、在不同的季节和时刻（时间位置），大气的温度、压强、密度会有差别，会有改变。

了解这些参数的差别和改变，对于分析飞机的飞行性能具有重要的意义。

大气的组成
空气由多种气体分子组成。

按体积计算，氮气约占78%，氧气约占21%，其余为二氧化碳、水汽、氢、氩、氖、氦等气体。

大气中水汽的含量对飞机的飞行有重要影响。

大气层
大气层的底界是地表，顶界没有明显的自然界限。

如果以空气密度接近于星际气体密度的高度作为顶界，高度约为2000~3000km。

沿重力方向，大气层中空气的密度、压力、温度等，差异非常显著。

通常把大气分为5层:：对流层、平流层、中间层、电离层、散逸层。

对流层
高度范围：底界是地面，顶界随纬度和季节而变化。

对流层的厚度，在低纬度地区平均为16~18km，中纬度地区平均为10~12km，高纬度地区平均为8~9km。

温度变化：气温随高度的增加而降低。

气温影响对流层厚度。

夏季由于气温高，厚度要比冬季大。

每天早午晚的气温变化也同样影响对流层的厚度。

大气密度：受地球引力作用影响，对流层集中了全部大气质量的3/4和几乎全部的水汽，是天气变化最复杂的层次。

平流层
高度范围：位于对流层之上，顶界扩展到50~55km。

温度分布：平流层下部常称为“同温层”。

随着高度的增加，气温保持不变（为190K）或略有升高；到20~30km以上，气温升高很快，到平流层顶，气温升至270~290K。

平流层的这种气温分布特征同它受地面影响较小和存在大量臭氧有关。

大气密度：平流层的空气稀薄，所包含的大气质量约占整个大气质量的1/4左右。

水汽：水蒸汽极少，通常没有雨、云、雾、雪、雹等天气现象。

风：空气没有上下对流，空气沿铅垂方向运动较弱，所以没有垂直方向的风，只有水平方向的风，而且风向稳定。

这是因为高空的空气稀薄，运动时摩擦力小，当大气层的空气随着地球自传时，上层的空气会出现滞后现象，这样相对地面来说，就形成水平方向的风。

对飞行的影响：这一层能见度好（晴空万里），气流平稳，空气阻力小，对飞行有利。

现代喷气式客机多在11000~12000km的平流层底层飞行，十分平稳。

中间层
高度范围：高度从50~55km 伸展到80~85km 。

温度变化：随着高度的增加气温下降，顶部气温可低至160~190K 。

风：空气在铅垂方向有强烈运动。

大气密度：空气非常稀薄，质量仅占大气质量的1/3000。

电离层
高度范围：从中间层顶延伸到800km 高空。

空气处于电离状态，由于太阳辐射的各种射线和宇宙射线使这一层大气中的氮氧分子电离成为离子和自由电子，带有很强的导电性，能吸收、反射和折射无线电波。

某些频率的无线电波可以通过电离层沿地球表面的曲面传送。

温度变化：温度随着高度的增加而增加。

也称为热层或暖层。

电离层中含有很多宇宙尘能吸收太阳热量，并且空气在电离时也释放出很多热量。

大气密度：空气密度极小，在700km 厚的范围内只占大气质量的0.5%，声波难以传播。

热量也难以通过大气对流传播。

飞行器的表面温度只取决于吸收太阳辐射热的多少。

散逸层
远离地面，受地球引力小，大气分子不断向星际空间逃逸，空气极其稀薄。

1.1.2大气层的温度结构、密度和压强变化
地球表面温度随季节和纬度变化
温度℃
元月份
元月份
七月份
七月份
赤道
年度平均
年度平均
大气温度随高度、纬度变化
地球大气层的温度变化
对流顶
纬度
ISA 模型
ISA 对流顶
海平面
海平面
几何高度 km
外逸层
热电离层
动温度，K
标准大气范围
热电离层
平流层
对流层
温度， K
重力势高度
km
散逸层
地球大气层的温度变化规律
第一层：靠近地球表面，是对流层，温度随着高度的增加而降低；
第二层：平流层，温度在其内层部分基本保持不变；
第三层：散逸层，距离表面50~80km，温度随着高度升高而下降；
第四层：热电离层，温度随着高度增加而升高，在400km时达到1000K，然后保持不变；
第五层：外逸层。

800KM以外。

大气的压强变化
受地球引力的影响，静止大气的压强随着高度增加而降低，可表示为：
微分式：dp/dh=-ρg；积分式：p=p0-ρgh
流动大气的压强由两部分组成：总压=静压+动压
动压也称速压：q=0.5ρV2（ρ：流体密度；V：流速）
大气的密度变化
受地球引力的影响，大气密度随着高度的增加而降低。

温度、压强、密度三者的关系
温度、压强、密度三者之间存在一定的关系，在同一位置，压强不变时，大气密度随着温度的增加而降低。

1.1.3国际标准大气ISA（International Standard Atmosphere）
飞机的飞行离不开大气，飞机的性能依大气数据的变化而改变，实际大气数据变化不定，建立一个公共标准—国际标准大气模型，作为衡量、比较飞机性能的依据。

国际标准大气中，海平面（H=0）标准大气参数
标准大气温度T0=288.15K；
标准大气压强p0=101325N/m2 (帕斯卡)；
标准大气密度ρ0 =1.225kg/m3
国际标准大气中，大气层的温度结构
通用式：T=T i +L i (H-H i )
T:大气温度，单位为K
T i：相应大气层下边界温度数值，单位为K
L i : 相应大气层温度随高度变化率，单位为K/m
i 、H i :相应大气层下边界高度数值，单位为千米
对流层：T =T0 +L0 (H-H i ) =288.15-0.0065H
对流层下边界高度0千米，i 、H i =0
同温层(内平流层) ：T =T11 +L11 (H-H11) =216.65
同温层下边界高度11千米， i 、H i =11 T 11 =288.15-0.0065X11= =216.65
中平流层：T =T 20 +L 20(H-H 20 ) =216.65+0.001(H-20000) 中平流层下边界高度20千米， i 、H i =20 T 20 =216.65 国际标准大气模型中，大气层的温度结构
国际标准大气中的大气压强 两个假设
大气是理想气体，符合理想气体的状态方程：p=ρRT 大气是静止的，符合静力学方程：dp/dH=-ρg
则：dp/p=(-g/R)dH/T=(-g/R)dH/[T i +L i (H-H i )]国际标准大气中的大气密度
()20
110
20000
112020201100011000RL g
RT H g RL g H T L p p e
p p H T L p p -⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛---⎥⎦
⎤
⎢⎣⎡-+==⎥
⎦⎤⎢⎣⎡+=中平流层
内平流层（同温层）
对流层内
对流层
内平流层（同温层）
对流顶
中平流层
重力势高度
基准面
静温度，T （K ）
已知温度和压强随高度的变化规律，根据理想气体的状态方程可以推导出大气密度随高度的变化规律。

大气相对参数
相对温度(温度比)θ=T/T 0=T/288.15 相对压强(压强比)δ=p/p 0=P/101325 相对密度(密度比)σ=ρ/ρ0 =ρ/1.225 三者关系为：δ=σθ
国际标准大气相对参数
()20
110
1202020110001110002000011RL g
RT H g RL g H T L e
H T L -⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛---
⎥⎦
⎤
⎢⎣⎡-+==⎥
⎦
⎤⎢⎣⎡+=ρρρρρρ中平流层
内平流层（同温层）
对流层内相对温度，θ
中平流层
内平流层（同温层）对流层
相对密度，σ
相对压强，δ
相对性质。