大气数据

2014年7月3日
大气数据
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大气数据系统
发展历史
50年代前期，分立式仪表 50年代后期，机载设备相继增多 模拟式中央大气数据计算机 各种模拟器件,伺服系统 70年代,混合式大气数据计算机 80年代,数字式的 大气数据计算机的出现，为飞机提供更多的大气数据参数
2014年7月3日
温标
摄氏温标（t）、华氏温标（F）、热力学温标（T） 9 F t 32 T t 273 .15 5
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测试系统的静态动态特性及误差
输入/输出特性曲线（难以用精确的解析式表示）
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测试系统的静态动态特性及误差
串联测试系统
系统的动态误差 在动态测量时输入参数与输出参数之间随时间而变化的函 数关系。
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飞行高度及高度变化率的测量
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高度定义
定义 飞机的重心在空中距离某一测高基准面的垂直距离。
绝对高度：基准面为实际海平面 相对高度：基准面为某一参考平面 真实高度：基准面为飞机正下方的地面目标之最高点在内的 并与地平面平行的平面 标准气压高度：基准面为标准海平面 标准气压高度是国际上通用的高度，主要防止同一空域或同 一航线上的飞机在同一气压面上飞行，发生两机相撞的可能。
X Y1 X Y1 Y2 Y1 Y2 Y Y2 Y
用图解法求测试系统的输入输出关系。
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用图解法求测量环节的特性曲线
y2=f2(y1) y1
y1=f1(x)
y2=f2(y1) y1
y1=f1(x)
y2
x
y
x
y=f3(y2)
y
y
两个测试系统静态特性曲线
大气数据 17
串联测试系统静态特性曲线
不考虑空气的压缩性（密度、温度不变）时， p d
1 V 2 2
考虑空气的压缩性（密度、温度变化）时，上式不正 确。 空气流速等于或大于音速时会产生激波，状态参数发 生很大变化。
2014年7月3日
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空气流速小于音速时空速测量的理论基础
若切面1处空气未受扰动，其压力和密度即为该处静压 和空气密度，它与物体相对速度为V，设法使空气流 在切面2处全阻滞，所有动能全部转化为压力能和内能。 （压力为全压）使用全静压管收集全静压，使切面1处 气流不被扰动，2处气流流速为零。
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Βιβλιοθήκη Baidu 气压式高度表
利用测量绝对压力的弹性敏感元件来测量大气静压， 根据高度与大气静压的关系，利用转换机构输出标准 气压高度（相对于标准海平面的重力势高度） 真空膜盒、膜盒串、波纹管 气压式高度表的误差
推导标准气压高度公式时，对标准大气作了一些假设，而实 际大气并不完全符合这些假设 推导标准气压高度公式时，假设了标准大气和标准海平面， 但实际海平面大气参数与标准海平面大气参数不同 构造误差
基本误差 与标准设备进行对比和校准的差值 附加误差 使用条件偏离标准条件 工作误差 工作环境因素变化情况下的误差极限值
2014年7月3日
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系统的静态误差（二）
系统误差、随机误差和过失误差
原理误差 构造误差
系统误差(误差恒定不变或按一定规律变 化）
环境误差 人员误差 随机误差 多次测量所得各次的误差 过失误差 测量者读数、记录、计算所造成的误差
大气数据系统
航空电子系 2014-7-3
飞 机 电 子 系 统
自 动 飞 行
飞行管理系统
自动飞行控制系统
通信系统
无 线 电
惯性基准系统 大气数据系统
ADF VOR DME ILS
导航系统
无线电导航 GPS
仪 表
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发动机工作状态测量 飞行状态测量
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大气数据系统
概论 飞行高度及高度变化率的测量 飞行速度 全静压系统 大气数据计算机系统 大气数据计算机的基本计算方法 大气数据计算机系统输出及显示仪表
气流角
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标准大气（一）
国际标准大气的规定
空气为干燥清洁的理想气体，并遵循理想气体方程所确立的关系 R*T P RT M
国际标准大气以平均海平面作为零高度 气压为1个标准大气压，气温15º ，密度为0.125kg/m3
为便于探讨大气中的压力分布，国际标准大气引用了重 力势高度的概念。
TH =Tb + ( H Hb )
国际标准大气，气压与高度关系：
pH R gn H= [( ) 1] H b pb
Tb
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大气数据
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大气参数的测量单位
压力单位
帕斯卡[Pa]：每平方米的面积上作用有1牛顿的力,1[Pa]=1[N/m2] 标准大气[atm]：1[atm]=101325[Pa] 工程大气压[at]：1[at]=1[Kgf/cm2]=9.80665×104[Pa] 巴[bar]：1[bar]=106[dyn/cm2]= 105 [Pa] 毫米液柱：以液柱高度来表示压力的大小 1[mmHg]=1[Torr]=1/760[atm]=133.322[Pa] 1[mmH2O]=9.80665[Pa] 磅/英寸2[PSi]：1[PSi]=1[bf/in2]=6.89476×103[Pa] 1米=3.2808398950131英尺, 1英尺=12英寸
2014年7月3日
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气流角 （空速向量与机体轴系的关系）
攻角：空速向量在飞机对称面上的投影与机体轴的夹
角，以速度向量的投影在机体轴之下为正（飞机的上 仰角大于轨迹角为正）； 侧滑角 ：速度向量与飞机对称面的夹角。以速度向量 处于飞机对称面右边时为正。
2014年7月3日
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飞机相对于地球运动的速度
– 升降速度：飞机重心沿地垂线方向运动的速度分量 – 地速：飞机重心沿地平面运动的速度分量
飞机相对空气运动的速度(横轴-机翼所在的轴，纵轴-机身轴)
– 侧滑速度：飞机在垂直截面内横轴相对于气流的运动速度 – 空速：飞机在纵轴对称面内相对于气流的运动速度
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地球大气层
对流层（变温层）、平流层（同温层）、中间层、电离层（热 层）、散逸层 对流层：
距地球中纬度11km，赤道17km，两极8km 包含了大气质量的3/4
平流层：
对流层顶部到离地约30km，温度几乎不变，包含了大气质量的约1/4
中间层
30km到80~100km为止，大量的臭氧
重力势高度：H= Φ/gn 重力加速度随地理纬度的变化：
g 9.80616 1 0.0026373cos 2 0.0000059 cos 2 2
重力势高度与几何高度的关系
H=rh/(r+h)
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标准大气（三）
每一层大气的温度与重力势高度之间的关系：
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大气数据
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机械式气压高度表
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气压式高度表的使用
标准气压高度的测量 绝对高度的测量 相对高度的测量
气压调节旋钮，调节测 量高度基准面的大气 压力，单位：英寸汞 柱、百帕
2014年7月3日
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高度传感器
用凸轮完成高度解算，凸轮型面决定的从动轴转角Ф与 主动轴转角θ间的函数关系Ф=f(θ),保证该传感器输出 角θ与高度（H）间是线性关系，θ=KθH 。
– 压力敏感元件的温度误差 – 摩擦误差
2014年7月3日
大气数据
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气压高度的测量系统
高度与大气压力关系 为非线性 为使气压高度系统能 用来测量飞机所在处 相对于某一参考基准 面的相对高度，系统 中必须设有气压修正 机构，并保证修正量 与测高系统输出量之 间成线性关系 选用弹性模数温度系 数小的恒弹性合金或 熔凝石英
电离层：中间层到离地500km，空气稀薄，听不到声音 散逸层：离地500~1600km之间，也称为外层大气
2014年7月3日
大气数据
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大气紊流
大气紊流（湍流）： 空气紊乱流动的现象，旋涡和不规则的波动，使得大 气中的风向、风速呈随机变化。 风切变： 空间任意两点之间风矢量的变化 微下冲气流： 较强的下降气流，飞机在起飞、着陆过程中遇到超过 自己爬升或下降速率的下降气流，对飞行的危害最大。
2014年7月3日 大气数据 29
高度变化率的测量
飞机平飞，表壳内 外气压相等，膜盒 不膨胀不收缩，指 针指零 飞机上升，开口膜 盒内气压小于膜盒 外气压，膜盒收缩， 指针上指 飞机下降，开口膜 盒内气压大于膜盒 外气压，膜盒膨胀， 指针下指
2014年7月3日
大气数据
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飞行速度
定义 当飞机在所选坐标系内运动时，沿其重心运动轨迹切 线方向的速度称为飞行速度。 速度的种类
V12 k P k Pt 1 2 k 1 1 k 1 t 1 Ps sV12 Pt 2
2014年7月3日
(考虑空气压缩性）
（不考虑空气压缩性）
大气数据 35
空气流速小于音速时空速测量的理论基础
k 2 k 1 k 1 V 考虑音速的表达形式： Qc Ps 1 2 1 2 a
2014年7月3日
大气数据
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大气数据有关的参数
与大气数据有关的参数
静压：飞机周围自由空气的压力 动压：气流的定向运动具有动能，当气流到达驻点时，动能 变为压力能和热能。单位面积上升高的压力称为动压 pd=1/2ρυ2 ρ为标准大气H高度上的空气密度
冲压：定义与动压相同。区别是：动压是不可压缩的流体的 理想定义，而冲压是考虑了空气的可压缩性
精密度、准确度和精度 误差的反义词 测量范围、量程 测量上限、下限 灵敏度 输出量微小变化与输入量微小变化之比
2014年7月3日 大气数据 19
测量系统特性描述参数（三）
分辨率 输出量的每个阶梯所代表的输入量的大小 迟滞 同一工作条件下，同一参数的测量值正反行程不同 重复性 同一方向多次改变参数时，对同一被测参数所得 的输出值之间的接近和重复程度。
2014年7月3日
测量系统特性描述参数（一）
系统的静态误差 绝对误差 被测参数的给出值与相应的真值之差的绝对值。 相对误差
m 标称相对误差：m取测量的指示值


实际相对误差： m取测量的真实值 额定相对误差： m取仪表的满刻度值 最大额定相对误差：额定相对误差的最大值
基本误差、附加误差和工作误差
重力势表示地球大气层内某一给定点上空气微粒的势能。重力势 高度以平均海平面作为重力势高度和几何高度的共同基准。重力 势高度又称为标准气压高度。
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大气数据
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标准大气（二）
当空气微粒沿地球法线移动，单位质量所做的功为： h dΦ=ghdz= ghdh g h dh

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与大气数据有关的参数
全压：动压和静压之和，即气流到达驻点时，单位面积上的 总压力 总温：气流到达驻点时获得的气温叫总温 静温：飞机周围自由空气所具有的温度 攻角：飞机的质量中心运动轨迹与飞机纵轴之间的夹角（飞 机竖轴和纵轴所在平面内测量的角度） 侧滑角：飞机的质量中心运动轨迹与飞机纵轴之间的夹角 （飞机横轴和纵轴所在平面内测量的角度）
大气数据
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2014年7月3日
大气数据
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地速的测量
W(地速）=Vt（真空速）+V（风速）
地速：飞机相对于地面的速度 风速：空气相对于地面的运动速度 空速：飞机相对于气流的速度 地速的测量：线加速度积分法和多卜勒效应法
2014年7月3日 大气数据 33
空速的测量
飞机相对于气流的速度即为气流相对于飞机的速度
2014年7月3日
大气数据
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2014年7月3日
大气数据
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高度测量方法
利用大气的物理特性测高
通过测量大气压力（静压）间接测高 通过测量大气密度来测量飞行高度
利用无线电 波的反射特性测量飞行高度（测真实高度）
1 h c c 2l 2
通过测量飞机的垂直加速度，再二次积分得飞行高度