《无人机系统理论基础》课件-项目6：航空气象与飞行环境

第三十一课时大气以及影响无人机飞行的基本要素BU

YUN

AVIATION目录/CONTENTS§2大气成分与结构§1航空气象§3基本气象要素§1航空气象航空气象航空气象学定义：针对航空中所提出的关于气象方面的要求进行研究任务：研究气象要素和天气现象对航空技术装备和飞行活动的影响内容：航空气候统计和区划，航空气象资料的整理编制、存贮和检索航空气象航空气象勤务定义：将航空气象学的研究成果运用于航空气象保障§2大气成分与结构大气成分与结构大气飞行环境定义：飞行器在大气层内飞行时所处的环境条件空气层（大气）：航空器的唯一飞行活动环境，导弹和航天器的重要飞行环境大气环境飞行大气成分与结构大气飞行环境层次划分：对流层、平流层、中间层、热层、散逸层（外大气层）航空器的大气飞行环境：对流层、平流层大气分层结构大气成分与结构对流层特点：气温随高度增加而降低，对流运动明显，温度和湿度水平分布不均匀对流层的厚度随纬度和季节变化包含全部大气约四分之三的质量和几乎全部的水汽对流层大气成分与结构对流层对流层下层范围：地面到1～2公里高度高度：粗糙地表高于平整地表，夏季高于冬季（北半球），昼高于夜大气成分与结构对流层对流层下层特点：气流受地面摩擦作用大充沛的水汽和尘埃往往导致能见度低昼夜温差可达10～40°C大气成分与结构对流层对流层中层边界：底界为摩擦层顶，上界高度约6公里会发生大气中云和降水现象上部气压为地面的一半，飞行时需使用氧气大气成分与结构对流层对流层上层范围：6公里高度伸展到对流层的顶部气温常年在0°C以下，水汽含量少大气成分与结构对流层对流层顶厚度：1～2公里特点：可阻挡垂直气流、能见度较差大气成分与结构平流层范围：对流层顶伸展50～55公里随着高度的增加，气温最初基本保持不变，25～30公里以上气温升高较快，层顶气温升至270～290K气流比较平缓，能见度较佳，飞行器的稳定性和操纵性平流层大气成分与结构中间层范围：平流层顶伸展到80～85公里高度特点：气温随高度增加而下降，空气有强烈的垂直运动顶部气温可：低至160～190K大气成分与结构热层范围：中间层顶伸展到约800公里高度特点：空气密度很小，气温随高度增加而上升，空气处于高度电离状态大气成分与结构散逸层特点：空气极其稀薄，受地球的引力作用较小，大气分子不断向星际空间逃逸§3基本气象要素基本气象要素表示一定地点和特定时刻天气状况的大气变量或现象主要气象要素：气温、气压、风、云、降水、能见度、空气湿度等基本气象要素表示大气性质：气压、气温、湿度等表示空气运动状况：风向、风速等大气中发生的现象：云、雾、雨、雪、雷电等最基本的三大气象要素：气温、气压、空气湿度基本气象要素气温定义：表示空气冷热程度的物理量温标：摄氏温标（℃）、华氏温标（T）、绝对温林（K）国际标准气温度量单位：摄氏度（℃）基本气象要素气温

基本气象要素气温气温是地面气象观测中的所要测定的常规要素影响因素：太阳辐射的变化、大气的运动基本气象要素气温影响：飞机滑跑距离飞机平飞的最大速度飞机空速表和高度表的示数基本气象要素气温温度变化原因：地表性质不同而引起的温度分布不均匀夜间温度降低，底层常常出现逆温，易形成雾和烟幕温度随高度的分布：决定大气稳定度和形成云、雷雨的重要条件基本气象要素气压定义：作用在单位面积上的大气压力一个标准大气压=1013百帕（毫巴）度量单位：百帕（hPa）、毫米汞柱（mmHg）、英寸汞柱（inHg）气压与汞柱基本气象要素气压较高的高度，大气压力降低，起飞和着陆距离增加，爬升率减小飞机起飞时，升力必须通过机翼周围的空气流动才能产生气压与海拔高度的关系基本气象要素湿度定义：表示大气干燥程度的物理量一定的温度体积内，空气里含水汽越少越干燥；水汽越多越潮湿污染物：增加飞机重量、增加阻力、减少升力基本气象要素湿度雾：地表开始50ft内的云，在接近地面的空气温度冷却到空气的露点时，水蒸气凝结形成雾大气中的湿度基本气象要素湿度云：可预示天气，空气冷却，到达饱和点，形成云对流云：导致飞机易遭到电击，使仪表失灵、油箱爆炸，造成强烈颠簸、结冰，使操作失灵基本气象要素湿度①空气密度减小：1.机翼产生升力减少，发动机推力降低，更长的起飞、着陆滑跑距离2.飞机最大平飞速度、最大爬升率和起飞载重量减少，飞行距离减少②水汽含量越大，空气密度越小基本气象要素湿度实际大气密度大于标准大气密度时：空气作用于飞机上的力要加大发动机功率增大、推力增大结果：最大平飞速度、最大爬升率和起飞载重量增大，而飞机起飞、着陆滑跑距离会缩短基本气象要素风定义：空气的水平运动单位：m/s、knot、km/h1m/s=3.6km/h，1knot=1.852km/h，1km/h=0.28m/s，1knot=1/2m/s基本气象要素风风切变：风矢量（风向、风速）在空中水平和垂直距离上的变化垂直风切变：对桥梁、高层建筑、航空飞行等造成破坏风切变基本气象要素风风切变的分类：水平风的水平切变水平风的垂直切变垂直风的切变基本气象要素风产生一定影响的低空风切变的天气：强对流天气锋面天气辐射逆温型的低空急流天气雷暴云的形成基本气象要素风低空风切变：发生在着陆进场或起飞爬升阶段的风切变微下击暴流：以垂直风切变为主要特征的综合风切变区雷暴引起的微下击暴流基本气象要素风应对风切变：天气预报收听地面气象报告与其他飞机在起飞、进近过程中的报告了解风切变的存在及其性质，对飞机能否通过风切变进行风险评估第三十二课时航空气象BU

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AVIATION目录/CONTENTS§2雷暴§4积冰§3乱流§1能见度§5气团和锋§1能见度能见度机场最低运行标准的重要指标能见度过低影响安全着陆，造成飞机无法起飞、旅客大量滞留飞机在低能见度环境下飞行能见度①定义：1.视力正常的人在当时天气条件下，能从天空背景中看到和辨认出目标物轮廓的最大水平距离2.在夜间能看到和确定出一定强度灯光的发光点的最大水平距离②决定因素：目标物与背景之间的亮度差异、大气透明度能见度按照航空的需求分类：地面能见度、空中能见度能见度是决定机场开放或关闭的条件之一，也是决定航空器起飞、着陆时按目视飞行规则或按仪表飞行规则操作的依据之一§2雷暴雷暴定义：对流旺盛的积雨云引起的，伴有电闪雷鸣的局地风暴，由强烈的积雨云产生，条件为：深厚而明显的不稳定气层充沛的水汽足够的冲击力雷暴雷暴产生前：被暖湿空气所盘踞，会感到闷热雷暴发生时：积雨云中下落水滴蒸发吸热，冷空气加速下沉冲击地面，温度骤然降低雷暴雷暴水平尺度为5~10km，生命期1h根据垂直运动的状况划分阶段：积云阶段、成熟阶段、消散目前为止无法完全消除雷暴对飞行的影响在雷暴天气中受损的飞机§3乱流乱流定义：气层内空气块的不规则运动分类：热力乱流、动力乱流热力乱流：局部地面受热不均形成的不规则小型气流和小型涡旋动力乱流：由地面粗糙度、上下层空气的风速差等引起乱流①由热力、动力共同引起：障碍物多而高、风速大或速随高度变化大，以动力原因为主风速小、地面受热不均匀，以热力原因为主②热力乱流：由大气热力层结不稳定引起③动力乱流：由风速切变引起乱流乱流对流型乱流形成原因：空气流经不同温度的地区时，易因温度差异导致空气流动出现“热升冷降”的现象，造成飞机飞行时上下摇晃易发生在离地面较近的高度乱流机械型乱流形成原因：空气流过高楼大厦时，受建筑物阻隔，流向与流速受到影响规定机场周遭建筑物的限制高度，降低机械型乱流的发生率乱流山岳波形成原因：气流或风以接近垂直的方向吹过山势较高又较长的山脉时，背风面易形成山岳波，造成上下震动现象乱流风切乱流形成原因：单位距离风速、风向的改变雷暴、积雨云、龙卷风有强对流，形成垂直风切强下击暴流到达地面后向四周扩散的阵风，形成强烈水平风切锋面两侧气象要素差异大乱流机尾乱流形成原因：大型飞机翼尖因空气流动形成高空飞行时，小型飞机要与大型客机保持距离尾流§4积冰积冰①定义：飞机机体表面某些部位聚集冰层的现象②形成原因：1.云中过冷水滴或降水中的过冷雨碰到机体后结冰形成2.水汽在机体表面凝华而成3.寒冷冬季地面露天停放飞机飞机积冰积冰积冰强度微量积冰（Trace）轻度积冰（Light）中度积冰（Moderate）严重积冰（Severe）积冰积冰对飞行的影响升力面积冰显著破坏飞机的空气动力特性和飞机特性增大摩擦阻力和压差阻力减小升力，加快失速，减小临界迎角增加飞机的重量、阻力、耗油率积冰积冰对飞行的影响发动机积冰内表面气动特性恶化气速度场分布不均匀、气流发生局部分离引起压气机叶片振动，冰屑进入压气机，造成压气机的机械损伤发动机推力降低、损坏或熄火发动机积冰积冰积冰对飞行的影响空速管和静压孔积冰空速表、气压高度表、迎角指示器、M数指示器、升降速度表等重要驾驶仪表指示度失真或失效，导致自动系统提供错误信息空速管积冰积冰积冰对飞行的影响天线积冰导致无线电通信失效，中断联络；强烈积冰使天线同机体相接，发生短路，造成无线电设备失灵无人机天线积冰积冰积冰对飞行的影响风挡积冰降低风挡透明度，恶化目视条件飞机风挡积冰积冰积冰对飞行的影响操纵面积冰操纵面的主要区域有冰、霜、雪，导致操纵面冻结在原有位置或运动受阻积冰积冰对飞行的影响起落架装置结冰在收轮时损坏起落架装置或设备聚集在起落架上的冰雪在起飞时脱落，损坏飞机积冰积冰对飞行的影响飞机在地面积冰机翼上0.1in(2~3mm)霜，使失速速度增加约35%，起飞滑跑距离增加一倍积冰的飞机起飞时，气流会从机翼上过早和明显地分离，导致离地升力系数比正常飞机小15%~20%飞机结冰§5气团和锋气团和锋气团的基本概念定义：水平方向上温度、湿度分布较均匀；垂直方向上温度、湿度改变近乎相同的大范围气团锋面：两气团接近处的过渡带（界面），这个过渡带称为锋面锋线：锋面在地面的交线气团与锋气团和锋气团的分类按气团的热力性质不同划分：冷气团、暖气团按气团的湿度特征的差异划分：干气团、湿气团按气团的发源地划分：北冰洋气团、极地气团、热带气团、赤道气团气团和锋气团的变性原理：气团在广阔的源地上取得与源地大致相同的物理属性离开源地移至与源地性质不同的下垫面，发生热量与水分的交换气团的物理属性发生变化，导致变性冷气团移到暖地区变性快，暖气团移到冷地区变性气团和锋锋锋面：锋区所在的几何面锋线：锋面与地面的交线锋：锋面和锋线对流层锋：对流层中上层近地面锋：对流层低层（1.5km以下）气团和锋锋大气中气象要素的不连续面重要的天气系统气团和锋锋的分类暖锋定义：锋面移动过程中，暖空气推动锋面向冷气团一侧移动的锋过境时，温暖湿润，气温上升，气压下降，天气多转云雨天气，可能出现连续性降水或雾暖锋示意图