宇航概论2飞行环境.ppt

1、宇航概论,复旦大学 力学与工程科学系 孙 刚 教授,第二章 飞行环境,2.1 大气环境 2.2 空间环境 2.3 国际标准大区 2.4 大气的物理性质,2.1 大气环境,根据大气中温度随高度的变化可将大气层划分为对流层、平流层、中间层、电离层和散逸层。,2009年3月30日星期 一,北京航空航天大学,第4页,2.1.1 对流层（0 -18公里）,对流层是紧贴地面的一层，它受地面的影响最大。因为地面附近的空气受热上升，而位于上面的冷空气下沉，这样就发生了对流运动，所以把这层叫做对流层。,2.1.1 对流层,它的下界是地面，上界因纬度和季节而不同。据观测，在低纬度地区其上界为17-18公里；在中纬

2、度地区为10-12公里；在高纬度地区仅为8-9公里。夏季的对流层厚度大于冬季。以南京为例，夏季的对流层厚度达17公里，而冬季只有11公里，冬夏厚度之差达6公里之多。,2.1.1 对流层,对流层特点 对流层包含了大气层质量四分之三的大气，气体密度最大，大气压力也最高； 气温随高度的增加而下降； 存在各种气象变化：风、雨、云、雾、雪等； 大气不仅存在水平流动，也存在垂直流动。,2.1.2 平流层（18-50公里）,在对流层的顶部，直到高于海平面50-55公里的这一层，气流运动相当平衡，而且主要以水平运动为主，故称为平流层。 平流层特点 平流层内大气只有水平运动（水平风）； 集中了全部大气质量的四分

3、之一不到的空气。,2.1.3 中间层（50-80公里）,平流层之上，到高于海平面85公里高空的一层为中间层。这一层大气中，含有大量的臭氧，气温随高度的增加而下降的很快，到顶部气温已下降到-83以下。由于下层气温比上层高，有利于空气的垂直对流运动，故又称之为高空对流层或上对流层。,2.1.3 中间层,中间层顶部尚有水汽存在,可出现很薄且发光的“夜光云”，在夏季的夜晚，高纬度地区偶尔能见到这种银白色的夜光云。 中间层特点 大气质量只占大气中质量的1/3000左右。 含有大量的臭氧。,2.1.4 电离层（80-800）,从中间层顶部到高出海面800公里的高空，称为暖(热)层，又叫电离层。这一层空气密

4、度很小，在700公里厚的气层中，只含有大气总重量的0.5。据探测，在120公里高空，声波已难以传播；270公里高空，大气密度只有地面的一百亿分之一，所以在这里即使在你耳边开大炮，也难听到什么声音。暖层里的气温很高，据人造卫星观测，在300公里高度上，气温高达1000以上。所以这一层叫做暖层或者热层。,2.1.5 散逸层,暖层顶以上的大气统称为散逸层，又叫外层。它是大气的最高层，高度最高可达到3000公里。这一层大气的温度也很高，空气十分稀薄，受地球引力场的约束很弱，一些高速运动着的空气分子可以挣脱地球的引力和其它分子的阻力散逸到宇宙空间中去。根据宇宙火箭探测资料表明，地球大气圈之外，还有一层极

5、其稀薄的电离气体，其高度可伸延到22000公里的高空，称之为地冕。地冕也就是地球大气向宇宙空间的过渡区域。人们形象地把它比作是地球的“帽子”。,2.2 空间环境,空间飞行环境主要是指真空、电磁辐射、高能粒子辐射、等离子和微流星体等所形成的飞行环境。 空间飞行器处于地球磁场之外，因此容易受到太阳风等因素的影响。,2.3 国际标准大气,为了准确描述飞行器的飞行性能，必须建立一个统一的标准，即标准大气。 目前我国所采用的国际标准大气，是一种“模式大气”。它依据实测资料，用简化方程近似地表示大气温度、密度和压强等参数的平均铅垂分布，并将计算结果排列成表，形成国际标准大气表。,2.4 大气的物理性质,大

6、气的状态参数和状态方程 大气的状态参数是指压强P、温度T和密度 这三个参数。 它们之间的关系可以用气体状态方程表示，即 P = RT,2.4 大气的物理性质,连续性 在研究飞行器和大气之间的相对运动时， 气体分子之间的距离完全可以忽略不计，即把 气体看成是连续的介质。这就是在空气动力学 研究中常说的连续性假设。,2.4 大气的物理性质,粘性 大气的粘性力是相邻大气层之间相互运动时产生的牵扯作用力，即大气相邻流动层间出现滑动时产生的摩擦力，也叫做大气的内摩擦力。,2.4 大气的物理性质,粘性与摩擦阻力 大气流过物体时产生的摩擦阻力是与大气的粘性有关系的。因此飞机飞行时所产生的摩擦阻力与大气的粘性

7、也有很大关系。 理想流体通常把不考虑粘性的流体（即流体内摩擦系数趋于零的流体）称为理想流体或无粘流体。,2.4 大气的物理性质,可压缩性 流体是气体（如空气）和液体（如水）统称。流体可压缩性是指流体的压强改变时其密度和体积也改变的性质。当气流速度较小时，压强和密度变化很小，可以不考虑大气可压缩性的影响。但当大气流动的速度较高时，压强和速度的变化很明显，就必须考虑大气可压缩性。,2.4 大气的物理性质,一般认为液体是不可压缩的，气体是可压缩的。 水 空气,2.4 大气的物理性质,声速 声速是指声波在物体中传播的速度。声速的大小和传播介质有关。在水中的声速大约为1440米/秒；而在海平面标准状态下，在空气中的声速仅为341米/秒(1227公里/小时）。由此可知介质的可压缩性越大，声速越小（如空气）；介质的可压缩性越小，声速越大（如水）。,2.4 大气的物理性质,马赫数 Ma=v/a 式中v表示在一定高度下飞行器的飞行速度