第二章飞行环境及飞行原理详解
航空航天概论第2章 飞行器飞行原理
2.2.1空气流动基本规律
2、连续性定理
• 当流体连续不断而稳定地流过一个粗细不等的变截 面管道时，在管道粗的地方流速比较慢，在管道细 的地方流速比较快。这是由于管道中任一部分的流 体不能中断也不能堆积，因此在同一时间，流进任 一截面的流体质量和从另一截面的流出的流体质量 应该相等。这就是质量守恒定律。
2.1.2 大气的物理特性与标准大气
2、标准大气 • 前面所述的大气物理性质是随着所在地理位置、 季节和高度而变化的，这样就使得航空器上产生 的空气动力也发生变化，从而使飞行性能发生变 化。为了在进行航空器设计、试验和分析时所用 大气物理参数不因地而异，必须建立一个统一的 标准，即所谓的标准大气。 • 国际标准大气的规定：（1）大气被看成完全气体， 即服从状态方程。（2）以海平面的高度为零。在 海平面上，大气的标准状态为：气温t=15℃；压 强p=1 atm；密度ρ=1.2250kg/m3；声速 c=314m/s。具体的数据可以查《国际标准大气简 表》。
线与翼弦的交点叫压力中心。
3、作用在飞机上的空气动力
机翼表面的压力分布
• 机翼表面上各个点的压力大小，可以用箭头长短来表示如图。箭头方向朝外，表示比
大气压力低的吸力或叫负压力；箭头指向机翼表面，表示比大气压力高的正压力，简
称压力。
把各个箭头的外端 用平滑的曲线连接
起来，这就是用向
量表的机翼压力 分布图。图上吸力
2、翼形几何外型的参数
翼型：用平行于对称平面的切平面切割机翼所得的剖面，称为翼剖面，简称翼型。 中弧线：翼型厚度中点的连线 弯度分布：有厚度的非对称翼，构造非对称翼型的“骨架”，称为中弧线的弯板，
它的高度yf的分布（即中弧线方程）称为弯度分布。 相对厚度：翼型最大厚度（ Tmax ）与翼型弦长（c）的比值Tmax /c
第二章航空飞行器基本飞行原理第一节飞行环境概述
(5) 空气密度随高度变化的计算公式。
此外，还有粘性系数、分子碰撞频率、分子量等。
根据这些公式计算出来的数据排列成表即为国际标准大气。
流体的基本规律（1.5学时，70 min.）基于相对性原理建立简化研究工作（例如：机在空中等速平飞时，可认为飞机是静止的，周围的空气相对其运动；风洞试验时，模型固定不动，让气流吹过）限制：等速直线运动（不改变惯性坐标系）将空气看作连续介质。
空气分子的自由行程大约为6×10-6cm。
飞行器的外形尺寸远远大于空气分子的自由行程，故在研究飞行器和大气之间的相对运动时，空气分子之间的距离完全可以忽略不计，即把空气看成是连续的介质。
这就是空气动力学研究中常说的连续性假设。
随着海拔高度的增加，空气密度变小，空气分子的自由行程越来越大。
当飞行器在40km以下高度飞行时，可以认为是在稠密大气层内飞行，这时空气可看成连续的。
在120~150km高度上，空气分子的自由行程大约与飞行器的外形尺寸在同一个量级范围之内；在200km高度以上，气体分子的自由行程有好几千米。
在这种情况下，大气就不能看成是连续介质了。
大气的状态参数：密度ρ（kg/m3）、温度T（K）、压强p （Pa）。
状态方程：式中R ——气体常数，空气为287.05287 J/(kg·K)。
空气的物理性质：(i) 粘性空气自身相互粘滞或牵扯的特性。
本质上，粘性是流体内相邻两层间的内摩擦。
粘性主要是由于气体分子作不规则运动的结果。
和温度有关，温度高，空气分子的不规则运动加剧，空气的粘性大，反之就小（与液体相反）。
(ii) 压缩性在压力 (压强)的作用下或温度改变的情况下，空气改变自己的密度和体积的一种特性。
低速时(Ma<0.3)，可以认为空气是不可压缩的。
音波与音速：音波--疏密波(压缩波、膨胀波相间)音波对流体来说是一种扰动，这种振动引起流体压强变化很微弱，是一种弱扰动。
音速（声速）--音波在流体中传播速度。
第二章飞行环境及飞行原理
第二章飞行环境及飞行原理2.1 飞行环境飞行环境对飞行器的结构、材料、机载设备和飞行性能都有着非常重要的影响。
只有了解和掌握了飞行环境的变化规律，并设法克服或减少飞行环境对飞行器的影响，才能保证飞行器准确可靠的飞行。
飞行环境包括大气飞行环境和空间飞行环境。
2.1.1 大气环境大气是地球周围的一层气态物，包围地球的大气层是航空器惟一的飞行环境。
大气在地球引力作用下聚集在地球周围，大气层总质量的90％集中在离地球表面15 km高度以内，总质量的99．9％集中在地球表面50km 高度以内。
在2000 km高度以上，大气极其稀薄，并逐渐向行星际空间过渡。
大气层没有明显的上限，它的各种特性沿铅垂方向上变化很大，例如空气压强和密度都随高度增加而降低，而温度则随高度变化有很大差异。
在离地球表面10 km高度，压强约为海平面压强的1／4，空气密度只相当于海平面空气密度的1／3。
根据大气中温度随高度的变化，可将大气层划分为对流层、平流层、中间层、热层和散逸层5个层次，大气层分布如图2-1所示。
1.对流层大气中最低的一层为对流层，其气温随高度增加而逐渐降低。
对流层的上界随地球纬度、季节的不同而变化。
就纬度而言，对流层上界在赤道地区平均为16—18 km；在中纬度地区平均为9～12km；在南北极地区平均为7～8km。
对流层的主要气象特点为：气温随高度升高而降低；风向、风速经常变化；空气上下对流激烈；有云、雨、雾、雪等天气现象。
对流层是天气变化最复杂的一层，飞行中所遇到的各种天气变化几乎都出现在这一层中。
图2-1 大气层分布2.平流层平流层位于对流层的上面，其顶界约为50km。
在平流层大气主要是水平方向的流动，没有上下对流。
随着高度的增加，起初气温基本保持不变(约为216 K)；到20～32km以上，气温升高较快，到了平流层顶界，气温升至270～290 K。
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。
航空航天概论 飞行器飞行原理
2、翼形几何外型的参数
翼型：用平行于对称平面的切平面切割机翼所得的剖面，称为翼剖面，简称翼型。 几何弦长c：连接翼型的前缘点(x=0)和后缘点(x=c)的直线长度。
翼型厚度(t)：指上下翼面在垂直于翼弦方向的距离，其中最大者称为最大厚度Tmax 厚度分布(yt)：在弦向任一位置x处，翼型的厚度t=yu-yl=2yu，用yt=t/2表示翼型厚度分布 前缘半径(rl)： 翼型前缘为一圆弧，该圆弧半径称为前缘半径 后缘角(τ)：翼型后缘上下两弧线切线的夹角称为后缘角 弦线、弦长(c)：连接前缘与后缘的直线称为弦线；其长度称为弦长。
2、标准大气 • 前面所述的大气物理性质是随着所在地理位置、
季节和高度而变化的，这样就使得航空器上产生 的空气动力也发生变化，从而使飞行性能发生变 化。为了在进行航空器设计、试验和分析时所用 大气物理参数不因地而异，必须建立一个统一的 标准，即所谓的标准大气。 • 国际标准大气的规定：（1）大气被看成完全气体， 即服从状态方程。（2）以海平面的高度为零。在 海平面上，大气的标准状态为：气温t=15℃；压 强p=1 atm；密度ρ=1.2250kg/m3；声速 c=314m/s。具体的数据可以查《国际标准大气简 表》。
3、作用在飞机上的空气动力
机翼的迎角
• 相对气流与机翼之间的相对位置，用迎角表示如图。迎角α ：翼弦与相对气流方向所夹 的角叫迎角。相对气流方向指向机翼上表面，为负迎角；相对气流方向与翼弦重合，迎 角为零。飞行中，飞行员可通过前后移动驾驶盘来改变迎角的大小或者正负。正常飞行 中经常使用的是正迎角。
2.2.1空气流动基本规律
2、连续性定理
• 当流体连续不断而稳定地流过一个粗细不等的变截 面管道时，在管道粗的地方流速比较慢，在管道细 的地方流速比较快。这是由于管道中任一部分的流 体不能中断也不能堆积，因此在同一时间，流进任 一截面的流体质量和从另一截面的流出的流体质量 应该相等。这就是质量守恒定律。
飞机飞行环境与飞行原理
飞机飞行环境与飞行原理
飞机的阻力
③ 干扰阻力 这就是由于飞机各部件因气流 流动时互相干扰所引起的额外 阻力，称为干扰阻力。
飞机飞行环境与飞行原理
飞机的阻力
③ 干扰阻力 为了减小干扰阻力，在这些部 件连接处加装流线形整流片， 使得连接处圆滑过渡，尽可能 减少涡流的产生。
飞机飞行环境与飞行原理
飞机的阻力
飞机飞行环境与飞行原理
飞机的飞行原理
流体的连续性定理
流体流过流管时， 在同一时间流过流 管任意截面的流体 质量相等。
1 S1,v1
2 S2,v2
飞机飞行环境与飞行原理
飞机的飞行原理
流体的连续性定理
➢ 山谷里的风通常比平原大； ➢ 河水在河道窄的地方流得快，河道宽的地方流得慢。
飞机飞行环境与飞行原理
飞机的阻力
② 压差阻力
压差阻力同物体的迎风面积、 形状和在气流中的位置都有很 大关系。 减小压差阻力的办法是：把暴 露在气流中的所有部件都做成 流线形。
飞机飞行环境与飞行原理
飞机的阻力
③ 干扰阻力 飞机的各个部件，如机翼、机 身、尾翼等，单独放在气流中 所产生的阻力的总和并不等于， 而且往往小于把它们组成一个 整体时所产生的阻力。
飞机飞行环境与飞行原理
飞机的阻力
飞机飞行环境与飞行原理
飞机的阻力
飞机飞行环境与飞行原理
飞机的阻力
④ 诱导阻力 由于两个翼尖涡的存在，会导致在翼展范围内形成一个向下的诱导 速度场，称为下洗。 亚音速飞机的下洗速度场会覆盖整个飞机所处的空间范围。
飞机飞行环境与飞行原理
飞机的阻力
④ 诱导阻力
诱导阻力的大小与机翼的平面 形状、翼剖面形状、展弦比以 及升力的大小有关。 椭圆形平面形状和大展弦比的 机翼的诱导阻力较小。 翼梢小翼可以减小诱导阻力
飞行器飞行原理ppt课件
2.3 飞机飞行原理
可重复使用的放热材料
用于像航天飞机类似的可重复使用的航天器的防热。 根据航天器表面不同温度的区域，采用相应的可重复使 用的防热材料。
例如：机身头部、机翼前缘温度最高，采用增强碳 碳复合材料，温度可耐受1593度；机身、机翼下表面前 部和垂尾前缘温度高，可采用防热隔热陶瓷材料；机身、 机翼上表面前部和垂尾前缘气动加热不是特别严重处， 可采用防热隔热的陶瓷瓦材料；机身中后部两侧和有效 载荷舱门处，温度相对较低（约350度），可采用柔性的 表面隔热材料；对于温度最高的区域，采用热管冷却和 强制循环冷却和发汗冷却等。
材料来制造飞机的重要受力构件和蒙皮； 2. 用隔热层来保护机内设备和人员； 3. 采用冷却液冷却结构内表面。
美国SR-71的机体结构的93%采用钛合 金越过热障，达到3.3倍音速。
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2.3 飞机飞行原理
航天器的防热方法：
材料：石墨、陶瓷等。 高温下的热解和相变：固 液，固 气，液 气。 应用：烧蚀法适用于不重复使用的飞船、卫星等。
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2.3 飞机飞行原理
B. 超声速飞机的机翼平面形状和布局形式
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2.3 飞机飞行原理
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2.3 飞机飞行原理
F-14 Tomcat 舰载机
米格-23
B-1 Lancer轰炸机
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2.3 飞机飞行原理
边条涡
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2.3 飞机飞行原理
超声速飞机的气动外形
鸭翼产生的脱体漩涡
机翼升力
鸭翼升力 机翼升力
流体黏性和温度有关，气体温度升高，黏性增大。液体相反。
4. 可压缩性
当气体的压强改变时，其密度和体积也改变，为气体可压缩性。 5. 声速
航空航天技术概论第二章飞行环境及飞行原理
2 、影响飞机升力的因素
设计飞机的一个原则： 应尽量使飞机的升力大而阻 力小 。影响升力的因素： （ 1）机翼面积的影响——机翼面积越大 ，则产生的 升力就越大。 （2）相对速度的影响——相对速度越大 ，机翼产生 的升力就越大。
（3） 空气密度的影响——空气密度越大 ，升力也就 越大 ，反之当空气稀薄时 ，升力就变小了。
Ma>5.0 ， 为高超声速飞行。
2.2 流动气体的基本规律
2.2. 1 相对运动原理 实际飞行： 飞机以一定速度在空气中运动。
实验研究和理论分析： 飞机静止不动 ， 空气 以相同的速度沿相反速度流过飞机表面。
上述两种情况所产生的空气动力效果相同 ， 如图2. 1和图2-4。
相对运动原理
2.2.2 流体流动的连续性定理 当气体稳定地 、连续不断地流过一个粗细不等的
VA=v2A2=v3A3=……=常数
结论： 不可压缩流体流过管道时 ， 流体的 流速与截面面积成反比 ， 也就是说 ，截面积大的 地方流速低 ，截面积小的地方流速高。
连续性方程的物理意义
它表述了流体的流速与流管截面积之 间的关系 。也就是说在截面积小的地方流 速大 ，截面积大的地方流速小。
例如在河道窄的地方 ，水流得比较快； 而在河道宽的地方 ，水流得比较慢。
2. 1 飞行环境
2.1.1大气环境 大气： 地球周围的一层气态物 ， 是航空器唯一
的飞行环境。
大气层： 在地球引力作用下 ，在地球周围所形 成的气体包层。
大气压强和密度随着高度增加而降低 ，而温度 随高度变化则有很大差异。
根据大气中温度随高度的变化 ， 可将大气层分 为对流层 、平流层 、 中间层 、热层和散逸层5个层
大气的状态参数：p，T， p
飞行器环境气流特性
2.气流流过物体，在物体表面其速度会降为零，然 后伴随与物体距离旳增长，速度增大，直到与原 来速度相同。
紧贴物体表面旳这层气流称为附面层。
4.可压缩性：
①定义：气体受压其密度和体积变化旳特征称为 气体旳可压缩性。
②当低速飞行（M≤0.4）时，因密度变化很小， 可忽视其压缩性。
1、海平面高度：
H=0
2、海平面气温：
T=（273+15）K
3、海平面气压：
P=101325Pa
4、海平面密度：
ρ=1.2250㎏/m3
5、音
速：
a=341m/s
6、对流层高度为11km或36089ft
7、对流层内原则温度递减率：每增长1km温度递减
6.5℃，或每增长1000ft温度递减2℃
4、电离层（80—800KM）
特点： ① 气温随高度升高迅速上升 ② 空5、气散能逸吸层收、反射、折射无线电波
5、散逸层（800—2500KM）
特点： ① 地球大气层旳最外一层； ② 受地球引力小，大气分子不断向星际
空间逃逸。
当代民用客机多在海拔11km左右飞行。
影响飞行旳原因： ① 气温 ② 气流 ③ 气象
2.稳定气流：空气在流动中各点旳v、p、ρ等参
数不随时间变化而变化。
3.不稳定气流：空气在流动中各点旳v、p、ρ
等参数随时间变化而变。
4.流 线：稳定气流中，空气微团流动旳路线 5.流 管：稳定气流中，相邻两条流线构成旳图形
流管
气流流过汽车旳情形
6.流线谱：若干流线形成旳图形。
图2.3 翼剖面旳 流线谱
第二章 飞机旳飞行原理
§2.1 飞行器旳飞行环境
概论 2章飞机飞行的基本原理1、2、3
3.机翼的迎角
• 迎角：翼弦与相对气流速度之间的夹角。
• 相对气流方向指向机翼下表面，为正迎角； • 相对气流方向指向机翼上表面，为负迎角； • 相对气流方向与翼弦重合，迎角为零。
2.3.3 阻力
2.3.4 影响飞机升力和阻力的因素
该层内空气非常稀薄，质量仅占整个大气质量的 1/3000。
4.电离层
电离层位于中间层以上，上界离地面约800公里，其 特点是，空气密度极小，由于空气直接受到太阳短 波辐射，高度升高，气温迅速上升，并且空气具有 很大的导电性，故称电离层。由于温度较高。又称 暖层。
5.散逸层
散逸层是大气的最外层，它是地球大气的最外层， 在此层内，空气极其稀薄，又远离地面，受地球引 力很小，因而大气分子不断地向星际空间散逸，故 称散逸层。推算，散逸层离地球表面约2000一3000 公里。
迎角改变对机翼阻力的影响
• • • • • • • • • 低速飞行时包括：摩擦阻力、压差阻力和诱导 阻力。 ������ 迎角增大，摩擦阻力变化不大 ������ 迎角增大，压差阻力增大 ������ 迎角增大，诱导阻力增大，超过临界迎角， 迎角增大，升力降低，诱导阻力减小。 总体上，迎角增大，阻力增大；迎角越大，阻 力增加越多；超过临界迎角，阻力急剧增大。 简单说：迎角增大，阻力增大；迎角越大，阻力 增加越多；超过临界迎角，阻力急剧增大。
流管内流体的质量是守恒的。 通常所取的“流管”都是“细流管”。 细流管的截面积 S 0 ，就称为流线 。
2.2.3 连续性定理
描述了定常流动的流体任一流管中流体元在不同截面处的流 速 v 与截面积 S 的关系。 Δt S v
qm VA
第2章 飞行环境及飞行原理
2.4.3 超声速飞行的空气动力外形及其特点
3．超声速飞机的外形特点
(1)超声速飞机的翼型特点 现代超声速飞机的翼型，大都采用相对厚
度小的对称翼型或接近对称的翼型，其最大 厚度位置靠近翼弦中间，且翼型前缘曲率半 径较小，翼剖面外形轮廓变化比较平缓。 (2)超声速飞机的机翼平面形状和布局型式 后掠翼、三角翼、小展弦比记忆、变后掠机 翼、边条机翼、“鸭式”飞机、无尾式布局 等。
2．连续性 连续性假设：把气体看成是连续的介质。
3．粘 性 相邻大气层之间相互运动时产生的牵扯作用力，
也叫做大气的内摩擦力。
4．可压缩性 气体的可压缩性是指当气体的压强改变时其密度
和体积改变的性质。
Ma v a
2.1.4 大气的物理性质
5．声 速
声速是指声波在物体中传播的速度。
声速不但和介质有关，而且在同一介质中，也随着 温度的变化而变化。
2.4.3 超声速飞行的空气动力外形及其特点
1．飞机的气动布局 飞机的气动布局，广义上讲是指飞机主要部件的数量 以及它们之间的相互安排和配置。 按机翼和机身连接的上下位置来分，可分为上单翼、 中单翼和下单翼； 按机翼弦平面有无上反角来分，可分为上反翼、无上 反翼与下反翼三种类型， 按立尾的数量来分，可分为单立尾、双立尾和无立尾 式(无立尾时平尾变成V字形)等。
2.4.3 超声速飞行的空气动力外形及其特点
2.4.3 超声速飞行的空气动力外形及其特点
2.飞机的几何外形和参数 机翼的几何外形分为：机翼平面形状和 翼剖面形状 机翼平面形状几何参数：翼展、翼弦、 前缘后掠角等。
2.4.3 超声速飞行的空气动力外形及其特点
2.4.3 超声速飞行的空气动力外形及其特点
2.3.3 飞机阻力的产生及减阻措施
航论-第二章第2节飞机的飞行原理
航论-第⼆章第2节飞机的飞⾏原理第⼆章民⽤航空器第⼆节飞机的飞⾏原理（⼀）课前复习1.轻于空⽓的航空器有哪些？2.按照⽤途不同，民⽤飞机可以分为？（⼆）新课教学⼀、⼤⽓层1.⼤⽓层的结构（1）对流程：位置：从海平⾯到对流层顶平均11千⽶，⾚道17千⽶左右，极地8千⽶左右特点：空⽓有⽔平流动和竖直流动，有⾬、云、雪、雹（2）平流层：位置：距海平⾯11千⽶以上，55千⽶以下特点：流动只有⽔平⽅向，⽆云、⾬、雪、冰雹（3）中间层（了解）（4）电离层（了解）（5）散逸层（了解）民⽤飞机的飞⾏范围：航空器⼀般在对流层和平流层下部飞⾏。
对⽆座舱增压的飞机和⼩型喷⽓式飞机⼀般在6000⽶以下的对流层飞⾏；对于⼤型和⾼速喷⽓式飞机装有增压装置，⼀般在7000⽶到13000⽶的对流层和平流层中飞⾏。
2.⼤⽓的物理性质物理性质包括：⼤⽓温度、⼤⽓密度、⼤⽓压⼒、⾳速。
（1）⼤⽓温度①定义：⼤⽓层内空⽓的温度，表⽰空⽓分⼦做热运动的剧烈程度。
②温度与⾼度的关系对流层：⾼度升⾼，温度线性下降，每升⾼1000⽶，温度下降 6.5℃。
平流层（同温层）：平流层底部，温度不随⾼度变化，约为-56℃。
（2）⼤⽓密度①定义：单位体积内⼤⽓的质量。
②⼤⽓密度与⾼度的关系：⾼度越⾼，⼤⽓密度越⼩，空⽓越稀薄。
（3）⼤⽓压⼒①定义：指空⽓在单位⾯积上产⽣的压⼒。
②来源：A. 单位⾯积上⽅直到⼤⽓层顶部空⽓柱的重量。
B. 空⽓分⼦做⽆规则热运动产⽣的撞击⼒。
③⼤⽓压⼒与⾼度的关系：⾼度越⾼，⼤⽓压⼒越⼩。
（4）⾳速①定义：声⾳在空⽓中的传播速度。
②⾳速与⾼度的关系：⾼度越⾼，⼤⽓温度降低，⾳速降低。
（了解）3.标准⼤⽓压（1）国际标准⼤⽓压：⼤⽓被看做理想⽓体，以海平⾯⾼度为零，海平⾯上⼤⽓的温度为15℃，⼤⽓压为10×105pa ，密度为1.225kg/m 3，⾳速为340m/s 。
（2）作⽤：为了使飞⾏器的设计制造、性能⽐较有⼀个统⼀的标准。
飞机飞行环境与飞行原理介绍课件
飞行控制
01
飞行控制原理：通过调整飞机的迎角、速度和高度来实现飞行控制
02
飞行控制方式：手动控制、自动驾驶和混合控制
03
飞行控制设备：操纵杆、方向舵、升降舵和油门等
04
飞行控制技术：现代飞行控制技术包括电传操纵、主动控制和智能控制等
动力系统
01
发动机：提供飞机飞行的动力来源
02
螺旋桨：将发动机的动力转化为推力
03
喷气发动机：通过燃烧燃料产生高速 气体，推动飞机前进
04
涡轮风扇发动机：结合喷气发动机和 螺旋桨的优点，提高燃油效率和推力
3
飞行安全
飞行事故类型
机械故障：飞机部 件损坏或故障导致
事故
操作失误：飞行员 操作失误或违反规
定导致事故
娱乐服务：提供电影、音乐、游 戏等娱乐项目，丰富乘客旅程
安全服务：提供安全须知、紧急 情况处理等安全保障服务
特殊服务：提供无障碍服务、儿 童服务等特殊需求服务
谢谢
温度：影响飞机的飞 行性能和燃油消耗
04
湿度：影响飞机的结 冰和雷暴风险
05
气压：影响飞机的飞 行高度和飞行速度
06
降水：影响飞机的能 见度和飞行安全
空中交通管制
空中交通管制的定义：对飞行器在空中的运行进行组 织和控制，确保飞行安全、有序和高效
空中交通管制的目的：防止飞行器在空中发生碰撞和 冲突，保障飞行安全
恶劣天气：恶劣天 气导致飞机无法正
常飞行或坠毁
空中碰撞：飞机在 空中与其他飞机或 物体相撞导致事故
安全措施
定期检查和维护飞机 遵守飞行规则和程序 飞行员培训和资质认证 紧急情况下的应对措施和程序 飞行数据记录和分析 安全监管和审查制度
飞机飞行的基本原理
大气层
对流层的特点 （1）气温随高度升高而降低：在对流层内，平均每升高
100m气温下降0.65℃，所以由叫变温层。该层的气温主 要靠地面辐射太阳的热能而加热，所以离地面越近，空 气就越热，气温随高度的增加而逐渐降低。爬过高山的 人都知道山上比山下冷，就是这个道理。 （2）有云、雨、雾、雪等天气现象：地球上的水受太阳照 射而蒸发，使大气中聚集大量的各种形态的水蒸气，随 着尘埃被带到空中，几乎全部水蒸气都集中在这一层大 气内，因而在不同的气温及条件下，就会形成云、雨、 雾、雪、雹等天气现象。
度为15 ºC、一个大气压的海平面上），每一立方 毫米的空间里含有2.7×1016个分子。当飞行器在这 种空气介质中运动时，由于飞行器的外形尺寸远远 大于气体分子的自由行程，故在研究飞行器和大气 之间的相对运动时，气体分子之间的距离完全可以 忽略不计，即把气体看成是连续的介质。这就是在 空气动力学中常说的连续性假说。
大气层
对流层的特点
（3）空气上下对流激烈：由于地面有山川、湖 泊、沙漠、森林、草原、海棠等不同的地形和 地貌，因此，造成垂直方向和水平方向的风， 即空气发生大量的对流。例如森林吸热少散热 慢，而沙漠吸热多散热快，因而沙漠上面的空 气被加热得快，温度较高，向上浮升，四周的 冷空气填入所离开的空间，因而造成上升气流 和水平方向的风。
平流层在25km高度以下，因受地面温度的影响较小，气温 基本保持不变，平均温度为-56.5ºC，所以又叫同温层。高 度超过25km，气温随高度增加而上升，这是因为该层存在 着臭氧，会吸取太阳辐射热的缘故。
飞行器的飞行的理想环境是对流层和平流层。
大气层
3、中间层 中间层在平流层之上，离地球表面
50～85km。在这一层内，气温先是随高
航空航天概论第2,3,5章总结
第一章第二章飞行环境及飞行原理2.1 飞行环境大气环境根据大气中温度随高度的变化可将大气层划分为对流层、平流层、中间层、热层和散逸层。
1.对流层：大气中最低的一层，特点是其温度随高度增加而逐渐降低。
（0 ～18公里）2.平流层：位于对流层的上面，特点是该层中的大气主要是水平方向流动，没有上下对流。
（18～50公里）3、中间层：中间层为离地球50到80公里的一层。
在该层内，气温随高度升高而下降，且空气有相当强烈的铅垂方向的运动.4.热层：该层空气密度极小，由于空气直接受到太阳短波辐射，空气处于高度电离状态，温度又随高度增加而上升。
（80～800公里）5.散逸层：散逸层是大气层的最外层。
在此层内，空气极其稀薄，又远离地面，受地球引力很小，因而大气分子不断向星际空间逃逸。
空间环境空间飞行环境主要是指真空、电磁辐射、高能粒子辐射、等离子和微流星体等所形成的飞行环境。
（空间飞行器处于地球磁场之外，因此容易受到太阳风等因素的影响）。
为了准确描述飞行器的飞行性能，必须建立一个统一的标准，即标准大气。
目前我国所采用的国际标准大气，是一种“模式大气”。
它依据实测资料，用简化方程近似地表示大气温度、密度和压强等参数的平均铅垂分布，并将计算结果排列成表，形成国际标准大气表。
大气的物理性质大气的状态参数和状态方程大气的状态参数是指压强P、温度T和密度ρ这三个参数。
它们之间的关系可以用气体状态方程表示，即P=ρRT。
航空器在空中的飞行必须具备动力装置产生推力或拉力来克服前进的阻力。
根据产生升力的基本原理不同，航空器分为轻于(或等于)同体积空气的航空器和重于同体积空气的航空器两大类。
大气的物理性质：连续性在研究飞行器和大气之间的相对运动时，气体分子之间的距离完全可以忽略不计，即把气体看成是连续的介质。
这就是在空气动力学研究中常说的连续性假设。
粘性大气的粘性力是相邻大气层之间相互运动时产生的牵扯作用力，即大气相邻流动层间出现滑动时产生的摩擦力，也叫做大气的内摩擦力。
航空航天技术概论第二章 飞行环境及飞行原理
Ma v a
飞行器飞行速度越大，Ma 就越大， 飞行器前面的空气 就压缩得越厉害， 故马赫数的大小可作为判断空气受到压 缩程度的指标。
根据马赫数的大小，飞行器的飞 行速度可划分如下区域：
Ma<0.4, 为低速飞行； 0.4<Ma<0.85, 为亚声速飞行； 0.85<Ma<1.3, 为跨声速飞行； 1.3<Ma<5.0, 为超声速飞行；
Ma>5.0， 为高超声速飞行。
2.2 流动气体的基本规律
2.2.1 相对运动原理 实际飞行：飞机以一定速度在空气中运动。 实验研究和理论分析：飞机静止不动，空气
以相同的速度沿相反速度流过飞机表面。
上述两种情况所产生的空气动力效果相同， 如图2.1和图2-4。
相对运动原理
2.2.2 流体流动的连续性定理 当气体稳定地、连续不断地流过一个粗细不等的
密度和体积改变的性质。
5、声波与声速 声波：是一个振动的声源在介质中传播时产
生的疏密波。 声速：是指声波在介质中传播的速度，声速
的大小与传播介质有关。 空气中341m/s，水中1440m/s,由此 可知介
质的可压缩性越大，声速越小（如空气）；介质 的可压缩性越小，声速越大（如水）。
6、马赫数 马赫数：用来衡量空气的被压缩程
第二章 飞行环境及飞行原理
第2章 飞行环境及飞行原理
2.1 飞行环境 2.2 流动气体的基本规律 2.3 飞机上的空气作用及原理 2.4 高速飞行特点 2.5 飞机的飞行性能及稳定性和操作性 2.6 直升机的飞行原理 2.7 航天器飞行原理
2.1 飞行环境
2.1.1大气环境 大气：地球周围的一层气态物，是航空器唯一
第二章航空飞行器基本飞行原理第一节飞行环境概述
此外，还有粘性系数、分子碰撞频率、分子量等。
根据这些公式计算出来的数据排列成表即为国际标准大气。
流体的基本规律（1.5学时，70 min.）
基于相对性原理建立
简化研究工作（例如：机在空中等速平飞时，可认为飞机是静止的，周围的空气相对其运动；风洞试验时，模型固定不动，让气流吹过）
1.3＜M≤5 ——超音速流动；
M＞5 ——高超音速流动。
流场
流体所占据的空间称为流场。
大气层就是一个很大的流场。
流体的流动参数（或运动参数）：
用以表征流体特性的物理量如速度、温度、压强、密度等。
定常流动与非定常流动
流场中任一点的任一个流动参数（如速度、压强、密度等）随时间而变化的流动称为非定常流动。
平流层的下部——同温层
3.中间层
从平流层顶（大约50～55km）伸展到80km高度。
特点：气温随高度增加而下降，空气有相当强烈的垂直运动。
在这一层的顶部气温可低至160～190K。
4.热层
从中间层顶伸展到约800km高度。
空气密度很小，声波也难以传播。
气温随高度增加而上升。
另一个重要特征是空气处于高度电离状态。
限制：等速直线运动（不改变惯性坐标系）
将空气看作连续介质。
空气分子的自由行程大约为6×10-6cm。
飞行器的外形尺寸远远大于空气分子的自由行程，故在研究飞行器和大气之间的相对运动时，空气分子之间的距离完全可以忽略不计，即把空气看成是连续的介质。这就是空气动力学研究中常说的连续性假设。
随着海拔高度的增加，空气密度变小，空气分子的自由行程越来越大。
为了适应飞行器设计、试验和分析的需要，由国际权威性机构组织颁布了一种“模式大气”，它依据实测资料，用简化方式近似地表示大气温度、压力和密度等参数的平均值，这就是国际标准大气。
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2.1.3 国际标准大气
为了准确描述飞行器的飞行性能，必须 建立一个统一的标准，即标准大气。
目前我国所采用的国际标准大气，是一 种“模式大气”。它依据实测资料，用简化 方程近似地表示大气温度、密度和压强等参 数的平均铅垂分布，并将计算结果排列成 表，形成国际标准大气表。
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6、马赫数
马赫数Ma的定义为：
Ma = v a
式中v表示在一定高度下 飞行器的飞行速度，a则表示 该处的声速。
飞行器飞行速度越大，Ma 就越大，飞行器前面的空气 就压缩得越厉害。因此，Ma 的大小可作为判断空气受到 压缩程度的指标。
点击播放 （高超声速情况）
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2.1.4 大气的物理性质
1、大气的状态参数和状态方程
大气的状态参数是指压强P、温度T
和密度 ρ 这三个参数。它们之间的关系
可以用气体状态方程表示，即
P = ρ RT
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2、连续性
在研究飞行器和大气之间的相对 运动时，气体分子之间的距离完全可 以忽略不计，即把气体看成是连续的 介质。这就是在空气动力学研究中常 说的连续性假设。
2.1.1 大气环境
根据大气中温度随高 度的变化可将大气层 划分为对流层、平流 层、中间层、热层和 散逸层。
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1、对流层 大气中最低
的一层，特点是 其温度随高度增 加而逐渐降低。 （0 ～18公里）
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2、平流层
¾理想流体
通常把不考虑粘性的流体（即流体内摩 擦系数趋于零的流体）称为理想流体或无粘 流体。
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4、可压缩性
流体是气体（如空气）和液体（如水）的 统称。
流体可压缩性是指流体的压强改变时其密 度和体积也改变的性质。
当气流速度较小时，压强和密度变化很 小，可以不考虑大气可压缩性的影响。但当大 气流动的速度较高时，压强和速度的变化很明 显，就必须考虑大气可压缩性。
位于对流层的上面，特点是该层中的 大气主要是水平方向流动，没有上下对流。 （18～50公里）
3、中间层
中间层为离地球50到80公里的一层。 在该层内，气温随高度升高而下降，且空 气有相当强烈的铅垂方向的运动.
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4、热层
该层空气密度极小，由于空气直接受到 太阳短波辐射，空气处于高度电离状态，温 度又随高度增加而上升。（80～800公里）
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2.2 流动气体的基本规律 2.2.1 相对运动原理
飞机以一定速度作 水平直线飞行时，作用 在飞机上的空气动力与 远前方空气以该速度流 向静止不动的飞机时所 产生的空气动力效果完 全一样。这就是飞机相 对运动原理。
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2.2.2 质量守恒与连续方程
取横截面1，2，3，假设在流管中流动的 流体质量既不会穿越流管流出，也不会有其它 流体质量穿越流面流入，则通过流管各截面的 质量流量必须相等。
v1
v2
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在单位时间内，流过变截面管道中任意 截面处的气体质量都应相等，即
ρ1v1A1 = ρ2v2 A2 = ρ3v3 A3 = 常数
5、散逸层
散逸层是大气层的最外层。在此层内， 空气极其稀薄，又远离地面，受地球引力很 小，因而大气分子不断向星际空间逃逸。
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2.1.2 空间环境
空间飞行环境 主要是指真空、电 磁辐射、高能粒子 辐射、等离子和微 流星体等所形成的 飞行环境。（空间 飞行器处于地球磁 场之外，因此容易 受到太阳风等因素 的影响）
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3、粘性
大气的粘性力是相邻大气层之间相互运动时 产生的牵扯作用力，即大气相邻流动层间出现滑 动时产生的摩擦力，也叫做大气的内摩擦力。
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¾ 粘性与摩擦阻力
大气流过物体时产生的摩擦阻力是与大 气的粘性有关系的。因此飞机飞行时所产生 的摩擦阻力与大气的粘性也有很大关系。
第二章 飞行环境及飞行原理
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本章主要内容
¾ 基本概念与基本定理 ¾ 升力的产生机理与增生措施 ¾ 阻力的产生及减阻措施 ¾ 飞机的气动外形 ¾ 飞机的飞行性能 ¾ 飞机的稳定性与操纵性及其影响因素 ¾ 航天器飞行原理
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2.1 飞行环境
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Ma与飞行器飞行速度的关系
Ma<0.4, 0.4<Ma<0.85, 0.85<Ma<1.3, 1.3<Ma<5.0,
Ma>5.0，
为低速飞行； 为亚声速飞行； 为跨声速飞行； 为超声速飞行； 为高超声速飞行。
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一般认为液体是不可压缩的，气体是可压缩的
水
空气
（水和空气的压缩性不同）
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5、声速
声速是指声波在物体中传播的速度。
声速的大小和传播介质有关。在水中的声速大 约为1440米/秒；而在海平面标准状态下，在空气 中的声速仅为341米/秒(1227公里/小时）。由此 可知介质的可压缩性越大，声速越小（如空 气）；介质的可压缩性越小，声速越大（如水）。
该式称为可压缩流体沿管道流动的连续 性方程。
当气体以低速流动时，可以认为气体是不 可压缩的，即密度保持不变。则上式可以写成
v1A1 = v2A2 = v3A3 = 常数
该式成为不可压缩流体沿管道流动 的连续性方程。
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北京航空它表述了流体的流速与流管截面积之间 的关系。也就是说在截面积小的地方流速 大，截面积大的地方流速小。