山东外贸职院民航概论讲义03航空器活动的环境及导航

第三章航空器活动的环境及导航前面两章对航空器的学习主要以航空器为主体，了解航空器的基本概念、发展过程、大体结构及工作过程。飞机是在大气的海洋里航行的飞行器。飞机的空气动力、发动机工作状态都与大气密切相关。本章我们将重点放于航空器本身以外的大气空间、如何引导航空器沿着预定的航线运动的方法，即：航空器活动的环境及导航。

第一节大气层大气层：包围地球的空气层称为大气层或大气一、大气物理参数航空器活动的环境为大气空间，对飞行影响最大的大气物理参数是气压、温度、动气密度和音速。（一）、空气的密度（）1、概念：空气密度是指单位体积内的空气质量。2、公式：设在立方米的体积内有千克空气，则密度为3、单位：标准单位为工程上所用的单位为：（工程上，G的单位是公斤，＝公斤秒/米）思考：为什么工程上密度的单位为？提示：工程上重量的单位为公斤，重量与质量的关系是什么？4、理解：空气的密度如同人口密度一样，人口密度越大，单位体积内人口的数量就越大，空气密度越大，单位体积内空气分子的数量就越多，反之，越少。（二）、空气的温度（T）1、概念：空气的温度指空气的冷热程度。2、定理：布朗运动，气体的温度越高，空气分子不规则运动的越快，分子的平均动能越大。反之，类似。3、单位：（1）我国常用的是，摄氏温度（2）少数国家和地区用F华氏温度两者换算关系：(3)理论计算中（国际标准），常用绝对温度T绝对温度：当分子停止不规则热运动时，即分子的平均速度为零时，此时的温度为绝对零度。单位：开氏度K（三）、大气压P 1、概念：空气的压强，物体单位面积上所承受的空气的垂直作用力。2、产生原因：据布朗运动的理论，大量运动着的分子连续不断的撞击物体表面，这种空气分子对物体的撞击作用即表现为大气对该物体所施加的压力。且分子的运动是不规则的。因此，对于某个质点各方向上的压力是相等的。说明：在静止的大气中，没有沿垂直方向运动的空气，说明空气所受垂直方向的力是平衡的。即静止大气中每处的气压都与该处上空的大气气柱的重量平衡。数量上，大气压＝物体单位面积上所承受的大气气柱的重量。思考：随着高度的增加，空气压力如何变化？3、单位工程上公斤/平方米公斤/平方厘米国际帕斯卡（Pa）牛/平方米（）毫米汞柱（mmHg）温度，海平面大气压称为一个标准大气压。（四）、音速1、概念：声音在静止的空气中传播的速度。2、单位：米/秒（） 二、密度（）、温度（T）、压力（P）和音速（v）随高度(h)的变化1、温度由于地球引力的作用，在地球的周围包围着厚厚的大气层，根据大气层中各个高度的特性的不同，将大气层分为对流层、平流层、中间层、电离层和散逸层。因为飞机一般在低于35Km的高度飞行，即在对流层和平流层飞行，因此，对于温度随高度的变化，我们更关心的是这两层。在11Km以下，每升高1Km，温度下降，这一层称为对流层。在11Km到35～40Km的距离称为平流层，在这一层，空气的温度不会随高度的升高而升高，一般保持在。因此这一层又称为恒温层。在平流层外到大约80～100Km的高度，空气的温度先升高后降低。这一层称为中间层。因为在大约55Km的高度，有臭氧层的存在（），它具有吸收紫外线的作用，因此温度升高。由于该层温度已经高到将空气分子电离的程度，所以该层空气分子具有导电的作用。（思考该层的作用）中间层以外到大约800Km的高度，温度随高度增加而升高，且温度很高。称为电离层。2、密度虽然温度随高度的增加有诸多的变化，但是，地球外层空气的存在是因为地球的引力将其包围在自己的周围，因此，随着高度的增加，地球对空气的引力将下降，即随高度的增加，空气就会越稀薄。而密度是单位体积空气的质量，因此，随高度的增加，空气的密度就会越小。3、压力前面讲到，大气压力是物体单位面积上所承受的大气柱的重量。那么，随高度的增加，单位面积上所承受的大气柱的重量降低，所以大气压随高度的升高而降低。三者随高度的变化，对飞行有很大的影响。简单的，如：飞行高度太高，空气密度很小，发动机的效率就会很低（发动机燃烧需要氧气）；飞行高度太高，空气压力很小，对飞机结构、机载设备机上人员都是很大的威胁。

三、大气的分层

概念：包围着地球的空气层称为大气。分类：对流层、平流层、中间层、电离层、散逸层（一）、对流层（变温层）1、高度：由于地球在不用纬度的引力不同，因此，不同纬度对流层的高度也不尽相同。赤道最高（17～18公里），两极较低（8～9公里），夏季高于冬季。2、特点：（1）、高度增加，温度下降；每增加一千米，温度降低6.5摄氏度。（）对流层中，空气的热量来自于地面而不是太阳的照射，因此，随高度增加温度下降。（2）、风向风速经常变化太阳对地面照射不同，使得各个地方的气温、密度和压力有所不同，因此形成了不同的风向和风速。（3）、空气上下对流剧烈受热多的空气膨胀上升，受热小的空气冷却下降，形成对流。（4）、气象多由于空气中90％以上的水蒸气都在对流层，因此，这一层中存在云、雨、雾、雪等所有的气象。思考：大家有没有注意我国的飞机场的跑道是什么方向的，为什么？3、对飞机的影响（1）、高度增加，温度下降，飞机结冰，改变了飞机的气动外形。包括机载设备及机上人员都要受到威胁。（空调系统的作用）（2）、风速、风向改变，空气的对流，使飞机颠簸，风切变对飞机更是有巨大的危害。（风的方向由向南瞬间变成向北）（3）、云、雨、雾、雪等影响能见度。尤其是在目视飞行时，这一点非常糟糕，即使是在现在自动导航设备如此先进，在起飞和降落的时候还是要目视协助。因此，这一点对飞机的影响也是巨大的。（二）、平流层（恒温层）1、高度：对流层以上距地面35～40Km2、特点：（1）、恒温受地面影响小（2）、水蒸气少，因此没有云、雨、雾、雪等气象（3）、密度小，风向稳定，没有对流，空气水平流动。思考：飞机巡航一般处于什么高度，为什么？（三）、中间层1、高度：平流层以上距地面80～100Km2、特点：（1）、空气的温度先升高后降低因为在大约55Km的高度，有臭氧层的存在（），它具有吸收紫外线的作用，因此温度升高。（2）、有风，且风速很大。（四）、电离层（暖层）1、高度：中间层以上距地面800Km2、特点：（1）、温度高（2）、空气分子被电离（用途？）（五）、散逸层1、高度：电离层以上距地面2000～3000Km2、特点：（1）、几乎不受地球引力的束缚

四、国际标准大气和飞行高度的确定（一）国际标准大气的规定1、意义：大气的各种物理参数随着地理位置、地形、季节的不同而不同，因此，航空器的飞行性能在不同的地点、季节、高度有不同的表现，这使得航空器的制造和使用在不同的条件下有不同的结果，给使用者带来麻烦，因此必须有一个统一的标准在世界范围内统一比较、计算。2、规定的前提：以北半球中纬度地区的大气物理性质的平均值作为基础建立，符合理想气体方程：“理想”是在以下假设下的：（1）、分子没有体积（2）、分子间没有引力其中P－气压；－空气密度；T－气体的绝对温度；R―气体常数（等压下，温度升高1K，1Kg气体膨胀所做的功）。3、规定：海平面的高度为零，在海平面，空气的标准状态是：（二）、飞行高度的确定飞机的高度表是根据气压来确定高度的，在飞行的不同阶段，使用不同的气压标准来确定高度。1、场压高度（QFE）：机场当地海拔高度的气压高度为零，飞机高度表上表示出来的高度就是机场上空的相对高度距离，即场压高度。飞机在起飞和降落时，必须知道和机场之间的相对高度，以确保高度表指示出与机场地面及地面障碍物之间的距离，因此要使用场压高度。飞机在起飞、降落前需要根据当地的气压数据进行调零。2、海平面气压高度（QNH）海平面气压高度：以当地实际海平面的气压数据作为高度的基准面，飞机高度表上表示出来的高度就是飞机的实际海拔高度，即海平面气压高度。飞机在爬升和下降阶段需要知道它的真实海拔高度，以便通过航图确定和下面地形之间的高度距离，因此需要海平面气压高度。3、标准气压高度（ISA）标准气压高度：以国际标准大气的基准面得到的高度称为标准气压高度，为标准气压高度。飞机在巡航阶段，为了使空中飞行的各航空器有统一的高度标准，避免因高度基准不同而导致的垂直间隔不够而出现故障，因此使用标准气压高度。

第二节空中导航导航的基本概念为一个物体在运动中确定它的空间或地面的位置和方向的方法。导航中，由于是用某种方法对地面位置和方向的确定，那么，学习地球的有关知识是有必要的。

一、地球的有关知识地球的形状：东西稍长（6378.28公里），南北略短（6356.86公里）的椭圆球体，但两者相差较小，所以通常认为地球为球形（6371公里）。地轴：地球绕一条轴自转，这条轴称为地轴。地轴在地表的两个端点，南面是南极（S），北面是北极（N）。1、地球的经纬度1）、纬度a）赤道平面概念：与地轴垂直并通过地球中心的平面称为赤道平面。特点：赤道平面将地球平分为相等的南北两半。b）赤道概念：赤道平面与地表面的交线为赤道。c）纬度概念：地球上某点到地心连线和赤道平面的角度为该点的纬度。表示方法：赤道的纬度为，为了分别南北，南半球是南纬，用S表示；北半球是北纬，用N表示。南极为，北极为，北京为。其范围为（）。d）纬线概念：同样纬度连接起来的线为纬线，是和赤道平面平行的平面在地球表面的交线。e）纬圈概念：纬线形成纬圈。特点：纬圈是平行于赤道的圆，纬度越高，纬圈越小，南北极，纬圈为一个点。2）、经度a）经圈概念：包含地轴的平面与地球表面的交线称为经圈。b）经线（子午线）概念：经圈的南北极之间的线称为经线。表示方法：以通过伦敦格林尼治天文台的经线作为经线的，这条经线称为主经线，也称为本初子午线；和经线构成经圈的另一半经线是经线；经线以西为西经，用W表示；经线以东为东经，用E表示。c）经度概念：通过任一点的经线平面与主经线平面的夹角为该点的经度。北京，。

2、

方向、距离和坐标1）、方向方向：地面一点对一点的坐标体系中的角度关系。方位角：以经线北部为基准，顺时针测量到水平面的给定的方向线的角度。2）、距离距离：地球表面两点之间连线的长度。由于地球为球形，所以该长度为弧度长度。距离的定义：通过球心的平面和球面相交的交线是球面上半径最大的圆。所有经圈和赤道都是大圆。大圆的周长＝公里每条纬度都是互相平行的，则纬度每差的距离为：公里1米定义为通过巴黎经圈的四千万分之一。1海里定义为大圆上的长度：3）、航线航线：飞机从地球表面一点到另一点的预定的路线称为航线。地球上的连线有多种，但作为航线一般使用大圆航线和等角航线。a）大圆航线概念：地面上任何两点和地心构成一个平面，该平面与球面的交线为连接这两点的大圆，沿着大圆在两点之间弧线的航线为大圆航线。特点：距离最短，节约燃油和时间；航行中，方向始终改变（除赤道和经圈与大圆重合，方向不会改变外），对驾驶员带来不便。b）等角航线概念：两点间按它们的相对方位，以不变的方位角连接起来的航线，称为等角航线。特点：航线角始终不变，驾驶方便；距离较长。实际应用中，视情而定，航程短，用等角航线；航程长用大圆航线。二、地球的运动和时间1、时间和时刻时间是运动的持续性和顺序性的度量。时刻：描述运动顺序性的度量，时刻为时间的一点。时段：描述运动持续性的度量，时段为时间的一段。时间包括了时刻和时段两方面的概念。2、地球的运动1）、地球运动的时间关系地球的运动包括围绕太阳公转和绕着地轴自转。地球运动的时间关系为：地球公转一周的时间为一年，自传一周的时间为一天，一天分为24小时，一小时为60分，一分为60秒。2）、地球运动的角度关系地球自转一周为，所需时间为24小时，每小时转，转动要4分，转动要4秒。3、时刻的种类及相互关系1）、地方时概念：将当地经线正对太阳的时刻作为正午12时，正背太阳的时刻作为0时，这样得到的时间称为地方时。特点：每条经线都对应一个地方时，数目多，对当地的测量和使用是方便的，但不适于一定范围的协调活动。2）、区时概念：将全球倍数的经度作为标准经度，在标准经度两侧的地区构成一个时区，使用这个标准经度的地方时作为这个时区的区时。说明：的时区称中区，向东称东区，向西称西区；东12区和西12区为一个区，标准经度为从；相邻两个时区差1小时。国际日期变更线：地球的一天从最东端开始，即从东经经线开始，那么经线两侧的日期差1天，称经线为国际日期变更线。为了照顾一些国家和地区使用同一日期，这条线有三处偏离了经线。特点：各地时间不等于该地地方时，但便于不同地区时间的换算。东 西，日期加1天；西东，日期减1天。3）、北京时间概念：北京所在东八区的区时，称为北京时间，为我国的标准时间。意义：我国地区辽阔，跨东5区到东9区5个时区，为了使全国有统一的时间，统一使用北京时间。4）世界时概念：各地区统一以0区的区时作为标准时，称为世界时。意义：由于世界性活动越来越多，使用区时也无法满足对时间同步性和准确性的要求，所以引入世界时。3、协调世界时意义：地球自转速度不均匀，为了弥补原子钟测出的较准确的时间与地球自转测出的时间的差异，引入了协调世界时的概念。概念：以原子频率为基础，同时又要协调它和地球自转的时刻一致的时间标准称为协调世界时。特点：以0区区时为基准；时刻均匀；与地球自转基本同步，最大差。国际民航组织规定国际航线统一使用协调世界时。计时方法为：24小时计时法。从0时～24时，正午为12时，下午1时为13时。则下午1时8分6秒计为130806。

三、空中导航1、导航的基本概念导航是指一个物体在运动钟确定它在空间或地面的位置和方向的方法。2、导航的基本发展过程早期陆地上的活动一般使用各种标志、太阳或其它天体来确认方向；海上活动一般使用指南针、六分仪等。早期航空，飞行高度不高，一般采用地面标准和航空地图完成导航；气压仪表时代出现了领航学，领航员据不同仪表数据不断计算，结合航图，进行导航；无线电技术和电子技术发展时代，飞机电子综合仪表系统的工作代替了领航员的工作，提高了导航的自动化程度。3、导航主要参数的确定在具备了航图的前提下，导航主要的参数有航向、地速、时间和高度。前面我们已经介绍了时间和高度两个参数的确定，下面我们主要了解速度和航向的确定。1）、飞行中速度的确定空速：飞机对空气的相对运动的速度称为空速；地速：飞机在地面投影点的速度称为地速；航迹：飞机地面投影点的移动的轨迹，称为航迹；航迹角：由经线北端顺时针量到航迹的角度，称为航迹角；无风时，空速等于地速，航迹角等于航线角；有风时，若空速用表示，航向；风速用表示，风向；地速用表示，航迹的方向；则航行速度三角形

2）、飞行中方向的确定飞机在空中确定方向是靠磁罗盘或依靠接受导航台的无线电信号（见第二章第五节），但由于地磁南北极与地球南北极是分离的，所以方向的确定需要通过计算得到。a、航向的种类及它们之间的换算真经线：从地球的南北极出发的地理经线在航空中称为真经线；真航向(ZX)：以真经线为基准的航向称为真航向；磁经线：以磁针指示的方向线称为磁经线；磁差()：磁经线与真经线的夹角称为磁差；磁航向(CX)：以磁经线为基准的航向称为磁航向，是磁经线北端()顺时针量到航向线的角度；罗经线：由于飞机本身存在磁场，由受飞机磁场影响的磁针指示出来的方向，称为罗经线；罗差()：罗经线和磁经线偏离的角度叫罗差；罗航向(LX)：以罗经线北端()为基准确定的航向称为罗航向；b、由无线电导航台确定方向第二章第五节中得，由导航台信号可得飞机与发射台之间得相对方位。如何将相对方位与实际方位联系起来呢？电台相对方位角：飞机接受的信号是以飞机的航向为基准顺时针量到飞机和电台连线的角度，这个角度称为电台相对方位角；电台方位角：从飞机所在位置的经线北端两道电台方位线的角度称为电台方位角，以真经线为基准得到的是真经线方位角，以磁经线为基准得到的方位角为磁经线方位角；飞机方位角：从电台所在的经线北端顺时针量到电台方位线的角度叫飞机方位角，同样，飞机方位角也有真飞机方位角和磁飞机方位角。则＋表示飞机在电台之西，－表示飞机在电台之东。有了上面的关系，飞行人员就可以从收到的导航台的无线电信号来确定飞行方向。在现代化的大型飞机上，使用了电子综合仪表，航行的方向和速度都可以自动进行显示，飞行管理计算机可以自动控制飞行的航线，不再需要空勤人员计算这些参数，但是和飞行有关的人员都必须具有领航的基本知识，在特定情况下还是需要人来判断和处理航行中发生的问题。

4、导航的设备系统（此处知识与第二章第六节的知识合并介绍）导航的设备系统是由地面设备和机载设备共同组成的，机载的一些导航仪表在第二章第六节中作过介绍，此处主要介绍导航系统及地面系统。1）、目视飞行导航及使用的设备航空发展初期，使用目视飞行导航，包括目视导航和推测导航。a、目视导航：驾驶员在航图上画出所要经过的路线，并记住路线上主要经过点的地面上的某个特征标志，然后按照这些标志不断修正受到风向影响的航线飞到目的地。b、推测导航：据飞机飞行的速度和预测的风向和风力，计算出到达各航路点的时间及飞行的航向，按着这个推测计算的航向和速度再加以目视校正，在预定的时间就会达到预定的航路点。c、使用的机械工具和仪表航空地图：标有地形