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;
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、雪等复杂的天源自文库现象。
• 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
• 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。
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。
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。
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。
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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。
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 %。
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。
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。
• 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。
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：
• 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22 000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。
• 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。
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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
• 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。
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。
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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
（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。
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。
• 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。
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。
• 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。