地球与飞行PPT课件.ppt

1 第二章自然地理与飞行 2 地表是一个巨系统 是与人类有直接关系的地理环境 航空运输的活动范围在地表空间 地表空间与地球本身的空间位置 地球的结构 性质紧密相关 地球的运动造成了昼夜变化 四季更替 地方时差等与飞行有关的地理现象 飞机相对于地表运动 由此而产生了飞行偏移 飞行中昼夜长短等特殊问题 在飞行层次中 还会伴随各种复杂的天气现象 从而影响和制约飞行活动 威胁飞行的安全 3 2 1地球与飞行2 2时差与飞行2 3气象与飞行2 4影响航空运输的其它自然地理要素 4 2 1地球与飞行 一 地球的自转二 地球的公转三 地球的圈层四 导航 5 一 地球的自转 自转周期 23小时56分4 09894秒 是一个恒星日 太阳日 相对于太阳自转一周 24小时 与恒星日的差异为公转的影响 自转周期 23小时56分4 09894秒 是一个恒星日 南极点上空 顺时针 北极点上空 逆时针 自转周期 23小时56分4 09894秒 是一个恒星日 6 自转角速度每小时15 地球表面自转线速度随纬度增加而减小 赤道上某点的线速度为1670千米 小时 北纬60 处大约为赤道的一半 为837千米 小时 7 自转影响昼夜更替 影响巨大地方时差 下节讲述 地转偏向力 惯性原理 8 昼夜更替机场灯光 飞行特点等 9 A点绕纬圈作圆周运动 离心力如图所示 同样B C均受到离心力 根据物理学中力的分解原理 A点处的离心力可理解为两个力的全力 一是垂直于地平面向上的力 另一个是与地平面一致指向赤道的力 同样C处也有一个指向赤道的分力 偏转 B 10 地球上物体的偏转规律北半球 向运动方向的右侧偏转 赤道 运动物体不发生偏转 南半球 向运动方向的左侧偏转 由赤道向两极 偏转程度增大 11 运动物体的偏向对高速度远程的运动物体 对大尺度的空气运动具有重要的研究价值 地转偏向力的作用必然使飞机在飞行时产生一定程度的偏移 飞机在长距离飞行时受其作用更加明显 实际飞行中 必须克服这一偏转 才能到达目的地 12 二 地球的公转 公转即地球绕太阳的运动 公转轨迹为椭圆 太阳位于椭圆的一个焦点上 由于地球的公转和地轴的倾斜 共同造成了四季更替和昼夜长短的变化 13 由于地球自转轴和公转轨道之间 有一个66度33分28秒的交角 而且自转轴在空间的方向保持不变 即平动 地球绕太阳公转的轨道是一个椭圆 它的长直径和短直径相差不大 可近似为正圆 太阳就在这个椭圆的一个焦点上 而焦点是不在椭圆中心的 因此地球离太阳的距离 就有时会近一点 有时会远一点 一月初 地球离太阳最近 为1 471亿公里 这一点叫做近日点 七月初地球离太阳最远 为1 521亿公里 这一点叫做远日点 近日距和远日距二者的平均值为1 496公里 这就是日地平均距离 14 地球运动与季节 冬天还是夏天 不是由于近日还是远日 而是由于太阳直射角度决定的 北半球的夏季 地球处于远日点 此时自转轴是偏向太阳方向 因此太阳直射在北半球 北半球得到的光热多 所以北半球是夏季 夏至时太阳对北回归线直射 这时 南半球就是冬天 北半球的冬季 地球处于近日点 此时自转轴的倾斜是和太阳方向相反 因此太阳直射在南半球 南半球得到的光热多 所以南半球为夏季 冬至日太阳直射南回归线 15 地球绕太阳公转一周所需要的时间 就是地球公转周期 地球公转周期是一年 地球上的观测者 观测到太阳在黄道上连续经过某一点的时间间隔 需365日6时9分10秒或365 2564日 16 公转影响四季更替昼夜长短变化五带划分 17 四季更替和昼夜长短变化是航班计划安排的重要影响因素冬春航班计划夏秋航班计划 18 航班计划我国规定 每年3月的最后一个星期日至10月的最后一个星期六执行夏秋季航班计划 10月的最后一个星期日开始到第二年3月的最后一个星期六执行冬春季航班计划 2011年3月27日至2011年10月29日执行夏秋航班计划 19 根据航季的不同 各航空公司将参照执行的航班收益情况 在新航季里对现有航班进行调整 具体内容涵盖增加新航线 增加新航班 调整航班时刻 调整航班线路及取消航线 航班等工作 20 五带划分 根据太阳高度和昼夜长短随纬度的变化 将地球表面有共同特点的地区 按纬度划分为五个气候带 即热带 南温带 北温带 南寒带和北寒带 飞机跨越这些气候带时 要考虑到带间气候特点的差异 从而对飞机的适航性能做出评估 21 22 三 地球的圈层 地球的外部圈层大气圈水圈生物圈岩石圈飞行圈层 23 大气圈深厚的大气好像地球的外衣 它保护了生物免受外层空间各种宇宙射线的危害 防止地表温度的剧烈变化和水分散失 大气内部的物质始终处于运动态 一切风云雨雪等天气现象都发生在这一层 大气对生物界和人类的影响更为深刻 地球上的一切生命都离不开大气 从航空运输的角度上看 大气层的底层就是飞行活动的空间 24 按照大气在垂直方向上温度的变化特点以及空气运动的规律 大气圈可以分为5层 即对流层 平流层 中间层 热层 散逸层 目前 民航运输飞机大多在12000米以下 高空飞行的飞机一般不超过20000米 飞行活动主要集中在对流层和平流层下部的范围之内 这两个层的性质与特点 严重影响和制约着飞行活动 而平流层以上的中间层 热层 散逸层与航空运输关系不大 故不作详细介绍 25 26 对流层对流层是地球大气中最低的一层 对流层中气温随高度增加而降低 空气的对流运动极为明显 空气温度和湿度的水平分布也很不均匀 对流层的厚度随纬度和季节变化 一般低纬度地区平均为16 18千米 中纬度地区平均为10 12千米 高纬度地区平均为8 9千米 上界在夏季较高 在冬季较低 对流层集中了全部大气约四分之三的质量和几乎全部的水汽 是天气变化最复杂的层次 也是对飞行影响最重要的层次 飞行中所遇到的各种重要天气现象几乎都出现在这一层 如雷暴 浓雾 低云 雨 雪 大气湍流 风切变等 在对流层内 按气流和天气现象分布的特点 又可分为下层 中层和上层3个层次 27 对流层下层 又称摩擦层 其范围自地面到1 2千米高度 但在各地的实际高度又与地表性质 季节等因素有关 一般说来 其高度在粗糙地表上高于平整地表上 夏季高于冬季 北半球 昼间高于夜间 在下层中 气流受地面摩擦作用很大 风速通常随高度增加而增大 在复杂的地形和恶劣天气条件下 常存在剧烈的气流扰动 威胁着飞行安全 突发的下冲气流和强烈的低空风切变容易导致飞行事故 另外 充沛的水汽和尘埃往往导致浓雾和其它影响能见度的现象 对飞机的起飞和着陆构成严重的障碍 为了确保飞行安全 每个机场都规定有各类飞机的起降气象条件 另外 对流层下层中气温的日变化极为明显 昼夜温差可达10 40 28 对流层中层的底界即摩擦层层顶 上界高度约为6千米 这一层受地表的影响远小于摩擦层 大气中云和降水现象大都发生在这一层 这一层的上部 气压通常只有地面的一半 在那里飞行时需要使用氧气 一般轻型运输机 直升机等航空器常在这一层中飞行 对流层上层的范围从6千米高度伸展到对流层的顶部 这一层的气温常年都在0 以下 水汽含量很少 各种云都由冰晶或过冷却水滴组成 在中纬度和副热带地区 这一层中常有风速等于或大于30米 秒的强风带 即所谓的高空急流 飞机在急流附近飞行时往往会遇到强烈颠簸 使乘员不适 甚至破坏飞机结构和威胁飞行安全 29 平流层平流层位于对流层顶之上 顶界伸展到约50 55公里 现代大型喷气运输机的高度可达到平流层底层 在平流层下半部 随着高度的增加气温最初保持不变或微有上升 到25 30千米以上气温升高较快 平流层的这种气温分布特征同它受地面影响小和存在大量臭氧 臭氧能直接吸收太阳紫外辐射 有关 这一层过去常被称为同温层 实际上指的是平流层的下部 在平流层中 空气的垂直运动远比对流层弱 水汽和尘粒含量也较少 因而气流比较平缓 能见度较佳 对于飞行来说 平流层中气流平稳 空气阻力小是有利的一面 但因空气稀薄 飞行器的稳定性和操纵性恶化 这又是不利的一面 综合而言其利大于弊 这个空间是飞机比较理想的飞行高度层 随着飞机飞行上限的日益增高和火箭 导弹的发展 对平流层的研究也日趋增多 30 平流层 对流层 空气稀薄 气温变化不大 气流相对稳定 水气等杂质少 能见度高 对流旺盛近地面 纬度不同厚度变 高度增来温度减 只因热源是地面 天气复杂且多变 风云雨雪较常见 31 水圈水圈包括海洋 江河 湖泊 沼泽 冰川和地下水等 它是一个连续但不很规则的圈层 从离地球数万公里的高空看地球 可以看到地球大气圈中水汽形成的白云和覆盖地球大部分的蓝色海洋 它使地球成为一颗 蓝色的行星 大气圈和水圈相结合 组成地表的流动系统 飞机在飞行时常遇到的雨雪雷电等天气状况 都与大气圈和水圈密切相关 32 33 生物圈生物圈是指地球表面有生命活动的圈层 实际上与大气圈和水圈相互交叉渗透 上至大气层的对流层顶 下至海洋深处都有生命存在 除了人类以外 对飞行影响最大的生物就是鸟类了 全世界每年大约发生1万鸟撞飞机事件 很多都造成了严重的后果 34 2007 2009年各年度春季鸟击事件报告统计图 35 在2009年春季上报的171起鸟击事件中 仅7起事件经识别或鉴定后报告了发生撞击的物种信息 在明确撞击物种信息的7份报告中 全部来自机场的独有报告 报告发生撞击的鸟种有 燕子4起 猎隼1起 阿穆尔隼1起 环颈雉1起 均为近年来统计到的常见鸟击鸟种 36 猎隼 大型猛禽 主要以鸟类和小型动物为食 分布广泛 我国和中欧 北非 印度北部 蒙古常见 可驯养用于狩猎 国家一级保护动物 37 繁殖于西伯利亚至朝鲜北部及中国中北部 东北 印度东北部有记录 迁徙时见于印度及缅甸 越冬于非洲 分布状况 在繁殖分布区甚常见 罕见于华东及华南 38 环颈雉分布于欧洲东南部 蒙古 朝鲜 俄罗斯东南部 中国 越南北部 缅甸北部等地 栖息于中 低山丘陵的灌丛 竹丛或草丛中 善于奔跑 飞行快速而有力 以植物的嫩叶 嫩芽 草茎 果实和种子为食 也吃昆虫和小型无脊椎动物 39 40 41 内部圈层 地壳地幔地核 42 岩石圈 内部圈层 对于地球岩石圈 主要由地壳和地幔圈中上地幔的顶部组成 从固体地球表面向下一直延伸到软流圈 岩石圈厚度不均一 平均厚度约为100公里 大气圈 水圈 生物圈 岩石圈不是独立存在的 这些圈层之间相互交叉 相互制约 形成了人类赖以生存的自然环境 43 4 导航 导航的实质就是确定物体所在的位置 是轮船和飞机正常航行的必不可少的技术手段 目视 指南针 先进仪器设备目前导航方法有三种 天文导航无线电导航卫星导航 44 原理 根据天体的时空规律来测定飞行器位置和航向 即通过对天体高度和方向的观测来确定飞机所在的位置 自主式系统 不需地面设备 不受人工或自然磁场干扰 无辐射电波 定向 定位精度高 在航天器上应用较多 受天气条件制约 空中能见度较差时无法观测天体 此情况下 只有借助无线电导航和卫星导航与民航关系不大 4 1 天文导航 45 利用无线电保障运载工具安全 准时地从一地航行到另一地的技术和方法 目前最主要的导航方式 电磁波传播特性 在自由空间直线传播 传播速度恒定 遇障碍物会反射 4 2 无线电导航 46 无线电导航优缺点 优点 定位时间短 精度高 不受时间 天气限制 设备相对简单 缺点 需导航台支持 无线电波易被发现和干扰 几乎所有导航设备都是以无线电的传播为基础的 不同的无线电波有不同的特性及传播路线 能力 时间 相位 幅度 频率 4 2 无线电导航 47 无线电波分类 4 2 无线电导航 48 无线电导航设备在过去几十年中发展出很多种类 我国目前正在使用的主要有两类 一类叫无方向信标 也叫中波导航台 英文缩写为NDB 另一类是甚高频全向信标 缩写为VOR 和测距仪 缩写为DME 组成的系统 49 在中波导航台系统中 飞机使用可以转动的环状天线接收信号 当测到电波最强的方向时 天线停止转动 于是就测出电台与飞机之间的方位 飞机按这个方向飞行 就能准确地飞到电台所在的位置 中波导航台准确性低并且容易受到天气的影响 但它价格便宜 设备结实耐用 所以世界上很多中小型机场和发展中国家的多数机场还在使用它 50 甚高频全向信标台使用甚高频电波 直线传播 不受天气影响 准确度高 VOR的天线在发射时不停地转动 发射出的信号按方向改变而改变 飞机收到VOR信号时 机上的仪表按照信号的频率和强度变化自动指示出正北方向和飞机相对于发射台的方向 VOR的作用有效范围在200千米以内 通常在航路上每隔150千米左右建立一个VOR台 飞机根据航空地图上标出的VOR台的位置 就可以在航路上顺利地飞行了 在使用VOR航路飞行时 驾驶员只能知道发射台的方向 而不能确定飞机与发射台之间的距离 51 当测距仪系统DME与VOR配套使用后 则可解决此问题 DME的地面发射台和VOR台建在同一地点或建在机场附近 它所使用的频率是超高频 频率在1000兆赫左右 这套系统由飞机上的询问机和地面台站上的应答机构成 飞机上的询问机向地面发出一对脉冲信号 脉冲之间的间隔是随机的 使不同飞机发出的信号都不同 地面应答机接受到这对脉冲信号后发回同样的一对脉冲信号 把发出信号和收到返回信号所消耗的时间与无线电波传播的速度相乘 就可以算出飞机与地面站之间的距离 测距仪可以测量出的距离最远可达500千米 误差仅为200米左右 在天空中飞行的各架飞机在询问时所发出的脉冲对的间隔不同 在接收时只接收自己所发出的脉冲信号 同时有几架飞机向地面站询问时 它们的信号彼此不会混淆 VOR DME系统的无线电波在天空中划出一条明确的通道 这条空中通道就叫航路 52 飞机在航路上飞行 随时可以从仪表上得知自己的航向和位置 根据地面管制员的调度 一个接一个地按航路点飞行 直至飞完全程 VOR DME导航系统保证了飞机能安全有秩序地飞行 极大地提高了空中的交通流量和飞行安全 现在这个系统成为世界上大部分地区主要的导航手段 53 建设VOR DME的航路 费用很高 不可能把地面上所有台站之间都建立起航路 一般只能在中心城市之间或中心城市到一般城市之间设立航路 如果飞机在两个没有航路的一般城市之间飞行 为了保证飞行安全 这时飞机不得不采取从一个城市沿着已有的航路飞到中心城市 再沿另一条航路飞往所要去的一般城市 这样飞行不但浪费了燃油和时间 又使航路变得拥挤 在飞机上应用了电子计算机以后 这个问题才得以解决 从两个以上的VOR地面台站收到的信号经过飞机上的电子计算机处理后得出一条实际上没有地面台站的航线 在这条航线上设置出假想的航路点 飞机按照这条航线飞行 同样也可顺利抵达目的地 这种专门设计的计算机被称为航线计算机 飞机上配备了这种计算机后 就可以在能收到两个以上VOR地面台站所发出的信号的地方 按照计算机计算出来的航线飞行 这种方法叫区域导航 它把VOR的导航范围由几条航路扩展为一个平面 这个平面就是各个VOR导航台站无线电信号所能覆盖的整个平面 54 VOR DME系统使用的甚高频和超高频电波是直线传播的 作用距离在200千米之内 在浩瀚的大洋或大面积的无人区中 是无法建造出联接一条航路的诸多VOR站的 为了满足远距离导航的需要 又开发出罗兰系统和欧米加系统 这两种系统使用了低频和甚低频的无线电波 作用距离都在2500千米以上 在地球表面只要建立起若干个这类台站 就可以为飞机飞越大洋或辽阔的无人区导航 这种导航的缺点是精确度不够高 而且需要功率非常强大的发射台 20世纪60年代以后 有关专业人士又开始寻找更好的方式以取代无线电导航系统 55 3 卫星导航 卫星导航定位指利用卫星导航定位系统提供的位置 速度 时间等信息来完成对地球各种目标的定位 导航 监测和管理 在卫星导航系统中卫星的位置是已知的 用户利用其导航装置接收卫星发出的无线电导航信号 并经过处理 可以计算出用户相对于导航卫星的几何关系 最后确定出用户的绝对位置 有时还可以确定出运动速度 56 70年代出现的新的导航方式 首先在航海中应用 民航已经开始逐渐普遍 原来为罗盘 优点 距地表远 因此覆盖范围大 抗干扰能力强卫星除导航外 还可以起通讯 监视作用 一个完