航天概论课件第二章

航天概论
第二章 飞行原理
2.1 飞行环境
2.1.1 地球与引力场
☆ 地球的基本情况
·近似一个椭球体，长半轴 6378.16公里，短半轴
6356.85公里。
·质量为5.976×1024公斤，平均密度为水的5.5倍。
·绕太阳公转一周的时间为365.25天，绕自身的极
轴自转一周的时间为23小时56分4.1秒。
☆ 标准大气
·大气的密度、压力和温度等参数随高度、季 节、昼夜、纬度变化。 ·飞行器的飞行性能与大气参数密切相关，为 飞行器设计和工程计算的方便，必须以一定的大 气参数作为衡量的标准。 ·世界各国都规定了本国统一的大气状态参数 标准，称为标准大气。 ·我国采用国际标准大气，并由国家标准总局 发布作为国家标准。
·标准大气主要包括如下规定：
①大气为静止、干燥的理想气体，服从状态方 程：
p = ρRT
②以海平面高度为零，海平面上空气的标准状 态参数为：气温t0=15℃（即绝对温度 T0=288.15K）；密度ρ0=1.225kg/m3；压力
p0=101325Pa；音速a0=340.294m/s；
③大气状态参数随高度变化的计算公式。
流不同速度层之间产生内摩擦力。摩擦力一层层
传递，最后传递给飞行器表面产生与飞行方向相
反的作用力，就是摩擦阻力。
压差阻力
由飞行器前方和后方的压力差造成的。
·气流在翼面前缘部分受到阻挡，速度减慢，压力 升高；在气流流经翼表面时，由于粘性作用造成的离 开翼表面的速度变化，形成旋涡，到翼面后缘形成压 力下降的涡流区，使翼面前后形成压力差，产生向后 的压差阻力。
☆
大气的分层
（1） 对流层（0～15公里）
·按照不同高度的大气特性，将大气层划分为五层： 特点：气温随高度增加而降低，风向和风速经 常变化，空气上下对流激烈，有云、雨、雾、雪、 雷电等天气现象。 （2） 平流层（15～50公里）
大气主要作水平方向流动，没有上下对流，也 没有云、雨、雾、雪、雷电等天气现象。20公里以 下为同温层，气温保持217K，不随高度变化。
跨音速区
·当速度接近音速但还未达到音速时，飞行器表
面的局部区域（如翼的上表面）的最大流速就已经
达到或超过当地音速，出现局部超音速区并产生激 波。 ·通过激波后的气流速度下降，当飞行速度超过 音速但还接近音速时，飞行器表面的局部区域（如
带迎角翼的下表面）可能出现局部亚音速区。
·这种存在局部超音速区或局部亚音速区的飞行
正常工作。
（3） 微流星和空间垃圾
微流星 ·宇宙空间高速运动的天然微粒，直径大部分为 0.1～10微米，质量大多小于1毫克，相对地球的速 度达到每秒10～70公里。 ·通常沿大椭圆轨道运行，在近地轨道附近的停 留时间短。 对航天器的影响
·裸露的太阳电池阵和光学表面有破坏作用。
·较大的微流星可能击穿航天器的舱壁。
参数连续变化的扰动区， 就是膨胀波。
(3) 波阻和音障
波阻 · 菱形翼剖面超音速气流产生的激波和膨胀波 的情况 ：
·波阻的大小与激波的强度有关，激波的强度又取
决于飞行器的外形，钝头体产生脱体的正激波，强
度大，波阻也大。尖头体产生附体的斜激波，强度
较弱，波阻也较小。所以，一般超音速飞行器的头
部是尖的，翼前缘的圆角很小，而且翼型很薄。
Ma Va a
称为马赫数。dA是管道截面积A的变化
dA dV 2 ( Ma 1) A V
量，dV是气流速度V 的变化量。
·可以发现，当Ma＜1和Ma＞1时，dA和dV之间的 关系时截然不同的。
·当Ma＜1时，dA和dV是异号关系，就是说在亚音 速流动时，随着截面积变小，流速增大，截面积变 大，流速减小。
·外辐射带的主要成分是电子和低能质子，分布
在离地面1～6万公里范围，中心位置离地面2万
公里左右，纬度边界为55°～70°。
☆
高能带电粒子对航天器的影响：
辐射剂量效应
·大量高能带电粒子对航天器和航天员的累积
效应。
单粒子翻转事件
·由单个带电粒子引起的，能导致航天器的各
种微电子器件极性翻转或闭锁，破坏电子器件的
的马赫数，Ma数越大，激波越强。决定激波强
度的另一个因素是波面的角度，正激波最强，
斜激波的倾斜程度越大，激波越弱。
膨胀波
·是超音速气流平行于物面流动时，物面突然 出现一个向外的转折角时所出现的另一种现象。
如图，物面有一个向外的转折角ω，随着截 面积变大，流速将增大。而且空间突然增大， 气流将发生膨胀，密度、温度和压力都会降低， 形成一个扇形的气流
速度范围称为跨音速区。
音障 ·在跨音速区，由于激波位置、局部超音速区 和局部亚音速区的位置和范围随飞行速度变化， 使得压心（升力合力的作用点）位置不稳定； ·激波与飞行器表面气流的边界层相互作用引
起边界层分离，导致飞行器表面发生剧烈抖振，
飞行阻力也明显增大。 ·飞行变得很不稳定而难以操纵。有时抖振太 激烈还导致结构破坏，造成机毁人亡的悲惨事 故。这就是所谓的“音障”。
V A = 常数
表明：低速不可压流体在流动过程中流速与截面积 成反比，在截面变化的管道中流动时，截面积大 的地方流速低，截面积小的地方流速高。
特性2：压力和流速的关系
试验结表明：流速大的地方空气的压力小，
流速小的地方空气的压力大。
伯努利方程 ：
1738年瑞士科学家伯努利首先导出变截面管道内 流体流速和压力的关系：
诱导阻力
诱导阻力是伴随升力产生的。
·在翼尖部位，由于上下翼表面压差的存在，
气流会由下表面向上表面流动，形成翼尖绕流。
使得流过翼尖内侧翼面的气流向下偏离，形成 下洗流。这样，使得气流产生的总升力也向后 倾斜。按来流方向将其分解为升力Y 和阻力X。 显然X是由于Y 诱导出来的，称为诱导阻力。
（3）升力系数和阻力系数
2.2.1 流动空气的特性
· 同一时间内通过 任一截面的空气质 量应该相等：
特性1：流速和截面的关系
m1 = m2
·单位时间内流过
该截面的空气质量 为 m = ρV A
·ρ1V1 A1=ρ2V2 A2
·不难推断，在管道内任一截面处的ρV A都相等， 即 ρV A = 常数
—— 连续方程 ·低速流动时，空气不可压缩，密度ρ不变，这时 连续方程改写为
射的作用，空气分解成离子态，形成几个电离层。 电离层的变化会影响飞行器的无线电通信。
（5） 散逸层（400公里以上）
空气极为稀薄，远离地球表面，受地球引力的
作用小，因而大气分子不断地向星际空间逃逸。
这一层内的空气质量只占大气质量的一百亿分之
一，与太空没有明显的界限。航天器离开散逸层 后便进入太空飞行。
·根据这些规定，即可确定不同高度的大气状态参 数，包括温度、密度、压力和音速。
2.1.3
空间环境
☆ 什么是空间环境？
·指航天器在轨道运行时所遇到的自然环境和人为 环境，包括真空、高层大气、电离层、地磁场、 地球辐射带、宇宙线、太阳电磁辐射、微流星和 空间垃圾等等
· 人造地球卫星、载人飞船和空间站一般在200公 里以上高空运行，处于高热层和散逸层之中，高 层大气、地球辐射带、微流星和空间垃圾对航天
（1） 升力
由于翼剖面上下不对称，上表面的流管比下表面
的流管细。由连续方程和伯努利方程，上表面的流 上下表面形成压力差，从而产生向上的升力Y。
速比下表面的流速大，上表面的压力比下表面的低，
（2） 阻力
·分为摩擦阻力、压差阻力和诱导阻力。
摩擦阻力
空气流过飞行器表面时，紧贴表面空气的速
度为零，从表面向外，气流速度一层层增大。气
·激波有一定的厚度，大约为千分之一到万分之
一毫米，这个厚度很小，完全可以忽略而看作是
突跃面。
·激波有正激波和斜激波之分。正激波指波面 与飞行速度垂直的激波，斜激波则是波面相对 于飞行速度倾斜成一定角度的激波。
钝头的飞行器产生正激波，尖头的飞行器产 生斜激波。
·决定激波强度的一个重要因素是飞行器飞行
器的影响比较显著。
（1） 高层大气 —— 指30公里以上的大气层。
·密度只有地面的十万亿分之一，主要成分是氧、 氦和氢原子。 ·航天器的速度高达每秒8公里以上，尽管密度很 小，大气阻力对航天器的影响仍然不能忽略。特别 是近地轨道上的航天器。 ·氧原子有很强的氧化和剥蚀作用。对复合材料表 面、太阳电池阵和表面温控涂层等的影响严重，须 采取防护措施。
（3） 中间层（50～80公里）
质量仅占大气总质量的三千分之一。气温从同 温层上界开始先是随高度升高，在53公里高度气 温达到283K，然后气温随高度下降，在80公里处降 到197K左右。
（4） 热层（80～400公里）
由于受到太阳短波辐射的缘故，气温随高度增
加而上升，可达1500～1600K。由于受太阳强烈辐
·当Ma＞1时，dA和dV是同号，所以在超音速流动 时，随着截面积变小，流速减小，截面积变大，流 速增大。
拉瓦尔喷管 用于产生超音速流
（2） 激波和膨胀波
激波 ·当飞行器以超音速在空气中飞行时，飞行器前 面的空气来不及让开，就被继续前进的飞行器压 缩起来，形成一个被强烈压缩的空气突跃面，称 为激波。 ·激波前后的空气压力、密度和温度突然升高。
升力和阻力与飞行器产生升力的面积 S 和动压
q =1/2ρV 2成正比。为便于表示飞行器的升力特
性，通常用无因次的比例系数来表示飞行器的升力 和阻力特性： 升力系数： 阻力系数：
CY Y 1 V 2 S 2
CX
X 1 V 2 S 2
2.2.3
激波、膨胀波和音障
(1)高速气流的特性
·气流以接近或超过音速的速度流经一物体时， 空气将发生强烈的压缩和膨胀现象，压力、密度 和温度都会发生显著的变化。 ·由于流动中气流的密度发生变化，VA=常数 就 不再成立。 ·高速气流服从如下方程式：