chapt2飞行器的飞行环境

2020/6/7，第二章飞机飞行环境，矿物学部比喻梅，航空宇宙概论，2020/6/7，目录，2.1地球大气，2.2太阳系2.3空间环境，航空宇宙概论，2020/6/7，2.1地球大气，航空宇宙概论，2020/6/7，2.1地球大气， 亚里士多德的预想和伽利略的预想古希腊哲学家亚里士多德认为，我们的世界由四个壳层构成，四个壳层由四个原质构成。 它们是土(实心球)、水(海)、空气(大气)和火(看不见的外侧)，在闪电流中偶尔能看见。 他说，这些壳外的宇宙是由神秘而纯粹的第五种原质构成的，它们被称为“以太网”。 在这样的图像中，没有“真空”(也就是说“无物”)的位置，就是土的边缘开始出现水，土和水的边缘，开始呼吸的火从气体的边缘开始，火的边缘开始出现以太网，一直持续到宇宙的最终。 航空宇宙概论，2020/6/7，2.1地球大气，古代哲学家“自然厌恶真空”这样说。 水压机被认为是大自然厌恶真空的很棒的实例。 压力机的手柄被按下后，活塞被提起，圆筒的下半部分留有真空。 但是，由于自然厌恶真空，周围的水通过打开筒底的单向阀门，流入真空。 重复这个操作，水箱内的水会上升到从泵口流出为止。 亚里士多德的说法应该可以用这种方法将水提到任意的高度。 航空航天概论，2020/6/7，2.1地球大气，航空航天概论，但是，必须从矿床底部汲水的矿工们，不管花费多少努力和多少时间，都不能从原来的水面汲水超过10米。 伽利略探索的一生晚年，对这个谜团产生了兴趣。 很明显，自然对真空的厌恶是一定程度的。 除此之外，他无法得出任何结论。 他怀疑使用比水密度高的液体的话，这个限度会降低一些，但是不做这个实验的话就死了。 2020/6/7、2.1地球的大气、大气以其变化无法预测的魅力吸引着人们。 自古以来，人们就对这个复杂的大气世界感兴趣。 特别是对其“身世”最感兴趣。 大气是怎样产生的？ 原始大气是什么样的？和今天的大气一样吗？这一系列问题一直争论不休。 地球的大气随着地球的形成过程，经过数亿年的“吐故纳新”，被认为是现在这样。 是怎么进化的？ 地球大气的演化过程被认为可分为三个阶段。 航空宇宙概论指出： (1)原始大气阶段，(2)二次大气阶段，(3)今天的大气阶段，2020/6/7，2.1地球大气阶段，(1)原始大气阶段，约50亿年前，随着地球的诞生，大气神秘地“诞生”。 也就是说拉普拉斯所说的星云开始凝聚，地球周围已经包围了大量的气体。 原始大气的主要成分是氢和氦。 地球形成后，地球内部的放射性物质崩溃，引起能源的转换。 这种转换对地球大气的维持和消灭有效，太阳风的强烈作用和地球刚形成后的引力小，原始大气很快就消失了。 航空航天概论，2020/6/7，2.1地球大气，(二)二次大气阶段，地球生成后，由于温度下降，地球表面凝结，地球内部的高温促进火山的频繁活动，火山喷发时形成的挥发气体逐渐代替原始大气成为二次大气。 二次大气的主要成分是二氧化碳、甲烷、氮、硫化氢、氨等分子量较重的气体。 这些气体和地球的固体物质之间，相互吸引，相互依存。 气体不能被地球的大离心力抛弃，到了大气的第二次生命次产生大气。、航空航天概论、2020/6/7、2.1地球大气、(3)在当今大气阶段，随着太阳辐射向地球表面行进，光波较短的紫外线强光合作用会使地球上的二次大气产生氧气，而且氧气的数量会增加。 如果有氧气，就会为地球上生命的出现提供极其有利的“温床”。 经过数十亿年的分解、同化、进化，生命终于在地球这个婴儿保护带中诞生了。 原始的单细胞生命，在大气纺织的“摇篮”中不断进化，终于发展成了支配当今世界文明的高级人类。 今天的大气也是在这个过程中得到了这样的“幸福的家庭”。航空航天概论、2020/6/7、2.1地球大气、对流层由于大气中的温度高度变化，大气层、大气层、平流层、中间层、热层、散逸层、航空航天概论、2020/6/7、2.1地球大气、对流层、航空概论、大气层、大气中最低层分为对流层，地面影响地面附近的空气受热而上升，上面的冷空气下沉，发生了对流运动，所以把这层作为对流层。 对流层下界是地面，上界随地球纬度、季节而变化。 据观测，低纬度地区的边界为1618km，中纬度地区为912km南极地区平均为78km。 夏季对流层的厚度大于冬季。 以南京为例，夏季对流层的厚度多达17km，冬季为11km，冬季和夏季的厚度差为6km。 2020/6/7，2.1地球大气，对流层特征：航空航天概论，大气层次，对流层包括大气质量的四分之三的大气，气体密度最大，大气压力最高随气温升高逐渐下降空气上下对流剧烈，风向风速始终变化云、雨、雾、雪等气象2020/6/7，2.1地球大气，航空航天概论，大气层位于对流层顶部，直至比海面高约50km的层，气流运动相当平稳，而且主要以水平运动为主，因此称为平流层。 平流层、平流层的特征：平流层集中的空气不到所有大气质量的四分之一气温随高度的增加最初几乎没有变化(约216K )，2032km以上，气温上升快，达到平流层顶部，气温上升到270290K。 平流层大气主要为水平流动，无上下对流。 2020/6/7，2.1地球大气，航空航天概论，大气层，中间层，平流层之上，到比海面高5085km的层为中间层。 这层的大气中含有很多臭氧，气温随着高度的增加急速下降，到顶峰为止下降到了160190K。 下层气温高于上层，有利于空气的垂直对流运动，故又称高度对流层或上部对流层。 中间层上部存在水蒸气，出现淡淡发光的“夜光云”，夏夜，高纬度地区偶尔能看到这样的银色夜光云。 2020/6/7，2.1地球大气，中间层特征：航空航天概论，大气层，所含大气质量仅占大气总质量的1/3000左右随着气温升高而下降含有大量臭氧。 2020/6/7、2.1地球大气、航空宇宙概论、大气层、从中间层顶部到海面800km高度之间的层称为热层，也称为电离层。 该层空气密度小，700km厚的气层只含有大气总质量的0.5%。 据观测，在120km上空声波难以传播的270km上空，大气密度只有地面的百亿分之一，所以在这里在你耳边鸣炮，什么声音也听不到。 在热层，气温高，随着高度的升高而上升。 据人造卫星观测，高度为300km，气温高达1000以上。 热层空气直接受太阳短波辐射，处于高电离状态，这层又称电离层。 热层、2020/6/7、2.1地球大气、航空宇宙概论、大气层、散逸层、热层顶边界以上称散逸层、外层；在这层中，空气极其稀薄，远离地面，不耐地球引力，因此大气分子不断地逃到宇宙空间。 该层内的大气质量只有大气质量整体的10-11，大气外层的顶边界约为20003000km的高度。 根据宇宙火箭的探测资料，地球的大气层外，有极稀薄的电离气体，其高度延伸到22000km的上空，被称为加冕。 加冕是地球从大气向宇宙空间的过渡地区，人们把它作为地球的“帽子”来印象。 2020/6/7、2.1地球大气、国际标准大气、航空航天概论、国际标准大气是国际组织(如国际民航组织、国际标准化组织)公布的“示范大气”。 国际标准大气规定：大气视为完整气体，根据气体状态方程，海面高度为零高度，海面上大气的标准状态为：气温T=15，压力p=1标准大气压(10330kg/m2)，密度=1.225kg/m3，声速a=341m/s，2020/6/7，2.1地球大气大气的物理性质，航空宇宙概论，1，大气的状态参数和状态方程式，2，连续性，3，粘性4，压缩性，5，音速，6，马赫数，2020/6/7，2.1地球大气，大气的物理性质，1，大气的状态参数和状态方程式，大气的状态参数是指其压力p，温度t和密度这三个参数气态方程式：p=RT，式中，t为大气绝对温度(单位k )，其与摄氏温度t (单位)的关系为T=t 273； r为大气常数，其值为287.05J/kgK。 航空航天概论，2020/6/7，2.1地球大气，大气的物理性质，气体由大量分子构成，在标准的大气状态下，1mm3的空间中含有2.71016个分子，每个分子具有自己的位置、速度和能量。 当飞机在空气介质中运动时，飞机的外形尺寸远大于气体分子的自由行程，因此气体分子之间的距离可以忽略，即将气体视为连续介质。 空气动力学中的连续性假设，航天概论，2，连续性，宇宙飞行器所处的飞行环境是高空大气和外层空间，空气分子之间的平均自由行程大，与飞行器的外形尺寸一样大，在这种情况下，大气不认为是连续介质。 2020/6/7，2.1地球大气，大气物理性质，大气粘性，主要气体分子不规则运动的结果。 大气的粘性是空气流动过程中表现的物理性质。 大气的粘性力是相邻大气之间相互运动时产生的影响力，也称为大气的内摩擦力(即大气相邻流化床之间发生滑动时产生的摩擦力)。 航空航天概论、3、粘性、流体粘性与温度有关，随着流体温度的升高，气体粘性增加，液体粘性反而减少。 2020/6/7，2.1地球大气、大气物理性质、大气粘性是空气流动中表现的物理性质。 大气的粘性力是相邻大气之间相互运动时产生的影响力，也称为大气的内摩擦力(即大气相邻流化床之间发生滑动时产生的摩擦力)。 航空航天概论、3、粘性、常温下水的内摩擦系数为1.00210-3Pas，空气的内摩擦系数为1.8110-5Pas，其值仅为水的1.81%。 流体粘性的大小可以用流体的内摩擦系数来测量。 2020/6/7，2.1地球大气，大气物理性质，气体压缩性是指气体压力变化时密度和体积变化的性质。 航空宇宙概论，4，压缩性，5，音速，音速是声波在物体中传播的速度。 声波是振动声源在介质中传播时产生的疏密波(压缩与膨胀之间的波)，声速的大小与传播介质有关。 水中的声速约为1440m/s，而在海面标准状态下，空气中的声速只有341m/s。 声速也随温度而变化。在对流层中，气温随高度下降，声速也下降，在11000m，声速下降到296m/s。 2020/6/7，2.1地球大气，大气物理性质，空气压缩程度的测量，这两个因素可以结合在一起。 用马赫数(MachNumber )表示的话，航空宇宙概论、6、马赫数是关于空气的压缩性，测量其压缩程度时应考虑的要素之一是音速。 音速越大，空气越难压缩。 另一个需要考虑的因素是飞机的运动速度。 运动速度越大，对空气施加的压力越大，空气也被强力压缩。 由此，空气被压缩的程度与音速成反比与飞机的飞行速度成正比。 式中的v是一定的高度，表示飞机的飞行速度，a表示那里的音速。 根据Ma=v/a、2020/6/7、2.1地球大气、大气物性、马赫数的大小，将飞机的飞行速度定义为航天概论、6、马赫数、Ma0.4、低速飞行、0.4Ma0.85、亚音速飞行、0.85Ma1.3、音速飞行、1.3Ma5.0、超声速飞行太阳星云在自身的引力作用下逐渐凝聚，逐渐形成了多个天体按一定规律排列的天体系统。 太阳系的成员包括恒星、九大行星、至少六十三颗卫星、约百万颗小行星、无数颗彗星、星际物质等。 2020/6/7，2.2太阳系，航空宇宙概论，注：地球至太阳的平均距离为1.5亿公里是天文单位。 比较2020/6/7、2.2太阳系、太阳系的9大行星，最左边是太阳、右边是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星。 木星直径是地球的11倍，太阳是木星直径的10倍。 冥王星只有地球的五分之一大。 这个形象没有表明九大行星和太阳之间的距离关系。 航空宇宙概论，2020/6/7，2.2太阳系，水星，水星是太阳系中最接近太阳的大行星，距太阳的平均距离约为5800万公里。 除冥王星外，太阳系中最小，直径约4870公里。 水星绕太阳公转的轨道是一个平坦的椭圆。 公转周期是大行星中最短的，地球日只有88天。 其平均轨道速度是大行星中最高的，每秒48公里。 水星的自转速度很慢，一周和地球上的59天一样，水星上的2天的第二天相隔了176个地球日。 航空宇宙概论，2020/6/7，2.2太阳系，金星，金星是太阳系的九大行星之一，从太阳开始按从近到远的顺序排列是第二，紧挨着我们地球。 在夜空中，除了月亮，金星是最亮的天体，亮度最大为-4.4等，比着名天狼星亮14倍。 中国民间称为“太白星”或“太白金星”。 在古代被误认为是两颗星星，但在中国的历史书上分别被称为“启星”和“长庚星”。 古希腊人称阿弗洛狄忒爱和美的女神，罗马人称维纳斯美神。 航空宇宙概论，2020/6/7，2.2太阳系，宇宙的绿洲，地球是太阳系乃至宇宙中最伟大的天体。 地球上没有其他行星的