第三次課 大氣物理狀態(tài)對(duì)飛行的影響

第三章大氣物理狀態(tài)對(duì)飛行的影響

飛機(jī)的空氣動(dòng)力大氣物理狀態(tài)對(duì)氣壓高度表和空速表示度的影響氣溫和空氣密度對(duì)平飛需要速度和最大速度的影響氣溫、氣壓對(duì)燃料消耗、載重量和升限的影響氣溫和空氣密度對(duì)飛機(jī)起飛著陸的影響編輯課件3.1飛機(jī)的空氣動(dòng)力

PRYXG

飛機(jī)與空氣相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)作用在飛機(jī)表面的壓力差（升力）、切向力（阻力）的合力稱為飛機(jī)的空氣動(dòng)力。編輯課件3.1飛機(jī)的空氣動(dòng)力一、升力和阻力的產(chǎn)生

(一)升力

飛機(jī)的升力主要是由機(jī)翼產(chǎn)生的。機(jī)翼之所以能產(chǎn)生升力，是由于空氣流過不對(duì)稱的機(jī)翼后，使機(jī)翼上、下表面出現(xiàn)壓力差的緣故。在低速飛行時(shí)，空氣可以看為不可壓縮的流體。根據(jù)不可壓流體的伯努利方程，速度大處壓力小，速度小處壓力大。當(dāng)氣流流過機(jī)翼上表面時(shí)，因上表面凸出的影響，使流管變細(xì)，流速加快，因而壓力降低。在機(jī)翼下表面，因機(jī)翼不對(duì)稱和氣流受到阻擋作用，使流管變粗，流速減慢，壓力增大。這樣，機(jī)翼上、下表面出現(xiàn)了壓力差，形成升力。編輯課件3.1飛機(jī)的空氣動(dòng)力P、vP’、v’氣流流過機(jī)翼(二)阻力低速飛行時(shí)，飛機(jī)的阻力主要有摩擦阻力、壓差阻力和誘導(dǎo)阻力。

1．摩擦阻力摩擦阻力是飛行中，空氣沿著飛機(jī)表面流過，由于其粘性作用，產(chǎn)生阻止飛機(jī)前進(jìn)的力。編輯課件3.1飛機(jī)的空氣動(dòng)力2．壓差阻力氣流脫離表面的位置編輯課件3、誘導(dǎo)阻力

誘導(dǎo)阻力是伴隨升力的產(chǎn)生而產(chǎn)生的，即由升力“誘導(dǎo)”而產(chǎn)生的阻力，稱為誘導(dǎo)阻力。飛機(jī)的誘導(dǎo)阻力主要來自機(jī)翼。3.1飛機(jī)的空氣動(dòng)力

當(dāng)機(jī)翼產(chǎn)生升力時(shí)，下表面的壓力比上表面大，使得下表面的氣流繞過翼尖流向上表面，翼尖部分的空氣因發(fā)生扭轉(zhuǎn)而形成翼尖渦流。翼尖渦流使流過機(jī)翼的空氣產(chǎn)生下洗速度，而向下傾斜形成下洗流(圖3.4)。編輯課件

升力是和相對(duì)氣流方向垂直的。既然流過機(jī)翼的流動(dòng)方向整個(gè)向下傾斜了，機(jī)翼升力也隨之向后傾斜。這時(shí)，實(shí)際升力(圖3.4中的)垂直于飛行速度方向的分力(圖中的Y)仍然起著升力的作用，但其平行于飛行速度方向的分力(圖中的X誘導(dǎo))則起著阻力的作用。這個(gè)附加阻力就是誘導(dǎo)阻力。3.1飛機(jī)的空氣動(dòng)力編輯課件3.1飛機(jī)的空氣動(dòng)力

三、影響升力和阻力的因素從(3.7)式可知，影響升力和阻力的因素有飛行速度、機(jī)翼面積、空氣密度及升力、阻力系數(shù)。升力系數(shù)主要取決予迎角(相對(duì)氣流方向與翼弦的夾角)和機(jī)翼形狀，阻力系數(shù)主要取決于迎角、機(jī)翼形狀和飛機(jī)表面質(zhì)量(粗糙度)。這些因素，在飛行中經(jīng)常變化的有飛行速度、空氣密度和迎角；一般不能改變的有：機(jī)翼形狀、機(jī)翼面積和飛機(jī)表面質(zhì)量。編輯課件3.1飛機(jī)的空氣動(dòng)力

1、飛行速度在其它因素不變的情況下，升力和阻力與飛行速度的平方成正比。飛行速度越大，機(jī)翼上表面的氣流速度將增大得越多，壓力也降低得越多。與此同時(shí)，機(jī)翼下表面的氣流速度將減小得越多，壓力也提高越多。于是，機(jī)翼上、下表面的壓力差增大，總空氣動(dòng)力以及其垂直和平行于飛行速度方向的分力(即升力和阻力)隨之增大。編輯課件3.1飛機(jī)的空氣動(dòng)力

2、空氣密度

空氣密度大，升力和阻力也大。因?yàn)榭諝饷芏仍龃?，則當(dāng)空氣流過機(jī)翼速度發(fā)生變化時(shí)，動(dòng)壓變化也大，作用在機(jī)翼上表面的吸力和下表面的正壓力都增大。所以，升力和阻力隨空氣密度的增大而增大。編輯課件

3、迎角在一定范圍內(nèi)，增大迎角(α)，升力系數(shù)增大，升力也增大，這是因?yàn)殡S著迎角的增大，在機(jī)翼的表面前部，流線更為彎曲，流管更為收縮，于是流速加快，壓力降低，吸力增大。與此同時(shí)，氣流受下表面的阻擋作用更強(qiáng)，流速減慢，壓力增大。當(dāng)迎角增大到臨界迎角αo)時(shí)，升力增至最大。α>αo，α增大，升力反而減小。其原因主要是機(jī)翼上表面的渦流區(qū)擴(kuò)大，以致在上表面前部流管擴(kuò)張，吸力降低所致。3.1飛機(jī)的空氣動(dòng)力編輯課件3.1飛機(jī)的空氣動(dòng)力飛機(jī)飛行中，當(dāng)迎角超過臨界迎角以后，升力降低，阻力急劇增大，導(dǎo)致空速迅速減小而不能保持正常飛行，這種現(xiàn)象稱為失速。飛機(jī)失速后，如不及時(shí)退出，將嚴(yán)重危及飛行安全。編輯課件3.1飛機(jī)的空氣動(dòng)力

阻力系數(shù)隨α的變化見圖2.6。迎角增大，阻力系數(shù)總是增大的，因而阻力也增大。因?yàn)橛窃龃髸r(shí)，機(jī)翼上，下表面的壓力差增大。這不僅使升力增大，還使翼尖渦流的作用增強(qiáng)，增大下洗速度導(dǎo)致實(shí)際升力更加向后傾斜，使誘導(dǎo)阻力增大。編輯課件3.2大氣物理狀態(tài)對(duì)氣壓高度表和空速表示度的影響

一、氣壓對(duì)氣壓高度表示度的影響

氣壓高度表是一種主要的航行駕駛儀表，飛行員用它來判定飛機(jī)的飛行高度。它的工作原理，主要是一個(gè)靈敏度很高的空盒氣壓表，其高度刻度盤是按照標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的壓高公式來確定的。因此，用氣壓高度表測(cè)得的高度，與氣象條件有關(guān)。編輯課件3.2大氣物理狀態(tài)對(duì)氣壓高度表和空速表示度的影響

當(dāng)飛機(jī)穿過低壓、高壓等天氣系統(tǒng)時(shí)，氣壓高度表的示度即使相同，真高(飛機(jī)距地面的垂直距離)也會(huì)不同，尤其在高空飛行時(shí)更是如此。因此，為了獲得準(zhǔn)確的飛行高度，需要對(duì)儀表示度進(jìn)行訂正，這個(gè)訂正量決定于零高度上的氣壓對(duì)標(biāo)準(zhǔn)氣壓的偏差及飛行高度以下氣溫分布對(duì)標(biāo)準(zhǔn)溫度分布的偏差。

編輯課件3.2大氣物理狀態(tài)對(duì)氣壓高度表和空速表示度的影響零值高度氣壓訂正是把高度表刻度盤調(diào)整到相應(yīng)位置。起飛前，根據(jù)場(chǎng)面氣壓調(diào)整高度表上的刻度盤，即把指示高度的指針調(diào)到零位刻度，刻度盤指針對(duì)準(zhǔn)場(chǎng)面氣壓值。這樣，在飛行中，高度表示的是相對(duì)于起飛機(jī)場(chǎng)的高度。編輯課件航線飛行中，則要按標(biāo)準(zhǔn)海平面氣壓調(diào)整高度表，此時(shí)的零值高度氣壓取760毫米水銀柱(即1013.25百帕)。這樣做的目的是使所有在航線上飛行的飛機(jī)，都有相同的“零點(diǎn)”高度，并按此保持航線規(guī)定的儀表高度飛行，以避免飛機(jī)在空中相撞。當(dāng)接近降落機(jī)場(chǎng)時(shí)，再按降落機(jī)場(chǎng)的場(chǎng)面氣壓重新調(diào)整高度，以保障飛機(jī)安全著陸。調(diào)整的方法與起飛前相同。3.2大氣物理狀態(tài)對(duì)氣壓高度表和空速表示度的影響編輯課件3.2大氣物理狀態(tài)對(duì)氣壓高度表和空速表示度的影響

二、溫度對(duì)氣壓高度表示度的影響

實(shí)際大氣的溫度與標(biāo)準(zhǔn)大氣溫度不同時(shí)，高度表示度因溫度變化也會(huì)出現(xiàn)偏差。因?yàn)樵诶淇諝庵?，氣壓隨高度降低較快，在暖空氣中，氣壓隨高度降低較慢，所以冷空氣中飛行時(shí)，高度表示度高于實(shí)際飛行高度，暖空氣中飛行時(shí)，高度表示度低于實(shí)際飛行高度。編輯課件3.2大氣物理狀態(tài)對(duì)氣壓高度表和空速表示度的影響氣溫引起的高度表誤差編輯課件

三、空氣密度對(duì)空速表示度的影響空速表是飛行中測(cè)量空速的儀表，它的感應(yīng)部分是一個(gè)空氣壓力受感器，其工作原理是測(cè)量飛行中空氣全壓和靜壓之差(即動(dòng)壓)來表示空速的。通常，空速表是按海平面標(biāo)準(zhǔn)空氣密度（ρ0）來分劃儀表刻度的。如果飛行高度上的空氣密度(ρ)不等于ρ0時(shí)，儀表示度與實(shí)際空速就不一致，因而需要進(jìn)行密度訂正。3.2大氣物理狀態(tài)對(duì)氣壓高度表和空速表示度的影響編輯課件3.2大氣物理狀態(tài)對(duì)氣壓高度表和空速表示度的影響

為了克服空速和表速的偏差，目前在飛機(jī)上安裝了雙指針組合型空速表。這種空速表雖然不能完全清除空速和表速的偏差，但已使這種偏差降低到10％左右。編輯課件

一、對(duì)平飛需要速度的影響飛機(jī)作水平直線飛行稱為直線平飛，簡(jiǎn)稱平飛。平飛需要有足夠的升力以平衡于飛機(jī)的重力。為了產(chǎn)生這一升力所需的飛行速度稱為平飛需要速度，以Vn表示。平飛時(shí)作用在飛機(jī)上的重力(G)與升力保持穩(wěn)定平衡，即Y=H3.3氣溫和空氣密度對(duì)平飛需要速度和最大速度的影響由上式可見，在其它條件相同的情況下，處于空氣密度隨高度減小，平飛需要速度隨高度增大。當(dāng)按氣壓高度表保持固定高度飛行時(shí)，氣壓不變，Vn是隨T的升高而增加的。

編輯課件3.3氣溫和空氣密度對(duì)平飛需要速度和最大速度的影響

二、對(duì)最大速度的影響

1、概念飛機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率或最大推力工作時(shí)能達(dá)到或允許達(dá)到的速度稱最大速度。飛機(jī)的最大速度通常指平飛最大速度和最大允許速度。

2、渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的可用推力及其隨高度的變化給定高度上，在發(fā)動(dòng)機(jī)允許工作狀態(tài)下，可能產(chǎn)生的實(shí)際推力稱為可用推力，用Pc表示。由發(fā)動(dòng)機(jī)原理知，渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的Pc可近似地用下式表示：編輯課件

3.3氣溫和空氣密度對(duì)平飛需要速度和最大速度的影響3、對(duì)平飛最大速度的影響溫度降低，平飛最大速度增大。

在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下，11千米高度上的Vm1比Vm0增大15％。由此再向上，發(fā)動(dòng)機(jī)推力和空氣密度等同地減小，使飛行速度保持不變。但由于從11千米向上飛機(jī)以大迎角飛行，Cx增大，故Vm1是減小的。超音速飛機(jī)的Vm1隨高度的變化，由于受結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和氣動(dòng)增熱的影響而受到限制。在未超過此種限度的情況下作超音速飛行時(shí)，溫度的升高使Cx有所增大，以致這時(shí)Vm1的減小要比亞音速飛行時(shí)更大。編輯課件3.3氣溫和空氣密度對(duì)平飛需要速度和最大速度的影響3、對(duì)最大允許速度的影響為保證飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不致破壞，安定性、操縱性不致喪失，而規(guī)定的飛行員允許使用的最大飛行速度稱最大允許速度。最大允許速度與飛行高度有關(guān)，通常在中空和低空受飛機(jī)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度的限制，在高空受飛機(jī)構(gòu)安定性和操縱性，即最大允許馬赫數(shù)的限制。最大允許馬赫數(shù)(Mm)相當(dāng)于極限速度。對(duì)于某一確定的飛機(jī)來說，它是常數(shù)。因此，飛機(jī)的最大允許速度(或極限速度)Vm2是隨大氣中的音速變化的，即編輯課件

高空和超高空飛行中，由于對(duì)流層部分溫度隨高度降低，最大允許速度隨高度減小。平流層中，由于溫度隨高度升高，最大允許速度隨高度增大。如取Mm=2，則在某高度上，當(dāng)氣溫正偏差14℃時(shí)，Mm增大60千米／小時(shí)以上。3.3氣溫和空氣密度對(duì)平飛需要速度和最大速度的影響編輯課件

一、氣溫、氣壓對(duì)燃料消耗量的影響

1、幾個(gè)概念（1）單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生單位推力需要的燃料量，稱為燃料消耗率。它是評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性能的重要指標(biāo)。（2）飛機(jī)飛行1小時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)所消耗的燃料量稱為小時(shí)燃料消耗量。（3）每飛行1千米的距離發(fā)動(dòng)機(jī)所消耗的燃料量稱為千米燃料消耗量。小時(shí)燃料消耗量Ch與燃料消耗率Ce的關(guān)系是：3.4氣溫、氣壓對(duì)燃料消耗、載重量和升限的影響

Pn為平飛需要推力

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從相似理論可導(dǎo)出Ch與氣壓、氣溫的關(guān)系：3.4氣溫、氣壓對(duì)燃料消耗、載重量和升限的影響s表示標(biāo)準(zhǔn)大氣。當(dāng)按氣壓高度表在固定高度上飛行時(shí)，有p=ps2、氣溫與燃料消耗量的關(guān)系由上式可以看出：小時(shí)燃料消耗量只與氣溫有關(guān)。當(dāng)氣溫下降時(shí)，小時(shí)燃料消耗量減小。由于續(xù)航時(shí)間取決于，因而平飛航時(shí)隨氣溫的降低而增長(zhǎng)。

編輯課件3.4氣溫、氣壓對(duì)燃料消耗、載重量和升限的影響

千米燃料消耗量與小時(shí)燃料消耗量之間有簡(jiǎn)單的關(guān)系：當(dāng)M數(shù)相同并按氣壓高度表保持固定高度飛行時(shí)氣溫變化，千米燃料消耗量不變，航程為一常數(shù)結(jié)論編輯課件3.4氣溫、氣壓對(duì)燃料消耗、載重量和升限的影響

如果飛行高度變化，即使M數(shù)不變，千米燃料消耗量也會(huì)有很大變化。高空飛行時(shí)，如果氣溫明顯升高，為了保持飛機(jī)的穩(wěn)定性和操縱性，避免飛機(jī)進(jìn)入臨界迎角，常常不得不降低飛行高度。在轉(zhuǎn)入較低高度飛行時(shí)，由于氣壓、氣溫的升高，千米燃料消耗量可增加15％以上。編輯課件3.4氣溫、氣壓對(duì)燃料消耗、載重量和升限的影響

為了達(dá)到最大航程，宜選擇在平飛最大允許高度上飛行，這時(shí)千米燃料消耗量最小，能增大航程。但應(yīng)指出，在確定最佳航線飛行剖面時(shí)，除了考慮溫壓場(chǎng)外，還應(yīng)考慮風(fēng)和危險(xiǎn)天氣現(xiàn)象等。對(duì)于風(fēng)，當(dāng)然是盡量利用順風(fēng)而避免逆風(fēng)，這對(duì)于在海洋上空的飛行航線是可行的，但在陸地上空由于飛行班次多，要受到空中交通管制的限制。此外，當(dāng)航程較短時(shí)，爬高和降低高度占了整個(gè)飛行剖面的很大一部分，飛機(jī)爬高消耗的燃料很多，以致于超過了由高空飛行所節(jié)省的燃料。編輯課件3.4氣溫、氣壓對(duì)燃料消耗、載重量和升限的影響

二、氣溫對(duì)飛機(jī)載重量的影響飛機(jī)的載重量受氣溫變化的影響很大。當(dāng)氣溫高于標(biāo)準(zhǔn)大氣溫度時(shí)，空氣密度變小，產(chǎn)生的升力也小，因而載重量減小，反之低于標(biāo)準(zhǔn)大氣溫度時(shí)，載重量增加。編輯課件3.4氣溫、氣壓對(duì)燃料消耗、載重量和升限的影響

由于氣溫對(duì)載重量和滑跑距離影響很大，所以國(guó)際民航組織建議在起飛前兩小時(shí)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口高度的氣溫預(yù)報(bào)要精確到±2℃。長(zhǎng)距離飛行的飛機(jī)，要利用這個(gè)預(yù)報(bào)的溫度來計(jì)算燃料和貨物搭載重量。在起飛前30分鐘用實(shí)況值進(jìn)行最后的校準(zhǔn)然后再起飛。編輯課件3.4氣溫、氣壓對(duì)燃料消耗、載重量和升限的影響

三、氣溫對(duì)飛機(jī)升限的影響

1、概念（1）飛機(jī)依靠本身動(dòng)力上升所能達(dá)到的最大飛行高度稱為升限，分為靜升限和動(dòng)升限。（2）靜升限指以固定速度進(jìn)行水平飛行的最大高度（3）動(dòng)升限指由在保證飛機(jī)不失去操縱性、安定性條件下，飛機(jī)從稍低于靜升限的某高度，用最大速度進(jìn)入躍升所能達(dá)到的最大飛行高度。

編輯課件3.4氣溫、氣壓對(duì)燃料消耗、載重量和升限的影響

在升限附近飛行，因?yàn)槿剂舷牧侩S高度減小，因而航程增大。但飛行高度越高，迎角越大，飛機(jī)的穩(wěn)定性和操縱性變壞。正確地確定飛機(jī)升限和了解氣象條件對(duì)升限的影響，對(duì)于更好地使用飛機(jī)的飛行技術(shù)數(shù)據(jù)、提高空運(yùn)的經(jīng)濟(jì)效益、以及保障飛行安全，都是很重要的。編輯課件3.4氣溫、氣壓對(duì)燃料消耗、載重量和升限的影響2、氣溫對(duì)升限的影響推力和空氣阻力相互平衡。如果飛機(jī)進(jìn)入高溫區(qū)，那么推力減小，飛機(jī)開始掉高度。

假設(shè)氣壓不變，飛行員為了恢復(fù)飛行狀態(tài)，必須增大發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)。但是，轉(zhuǎn)數(shù)并非總是能增加到所需程度的。為此，飛行員不得不降低飛行高度。使推力重新等于空氣阻力。編輯課件3.4氣溫、氣壓對(duì)燃料消耗、載重量和升限的影響

假設(shè)設(shè)氣溫不變，則推力與氣壓成比例地增大。當(dāng)氣溫隨高度降低而升高時(shí)；推力雖然也增大，但要緩慢得多。在某一高度上，推力等于阻力，恢復(fù)了平飛狀態(tài)。為了確定這一新的高度(升限)，根據(jù)推力不變的條件，設(shè)空速表示度不變。則編輯課件3.4氣溫、氣壓對(duì)燃料消耗、載重量和升限的影響如果發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)不變，有

如果在9千米高度上飛行，氣壓P1=230毫米水銀柱(即306.64百帕)，則新高度上的氣壓P2=270毫米水銀柱(即359.97百帕)。這相當(dāng)于高度變化大約1千米。簡(jiǎn)言之，當(dāng)在接近升限高度上飛行時(shí)，氣溫升高10℃，如飛行速度不變，飛機(jī)要掉高約500米。這樣大的溫度變化，在航程超過2000—3000千米，特別是南北向飛行時(shí)，是不難遇到的。編輯課件3.4氣溫、氣壓對(duì)燃料消耗、載重量和升限的影響

如果飛行高度比升限低得多，當(dāng)剩余推力足夠時(shí)，飛行員可以改變發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)來保持規(guī)定的飛行高度。由于氣溫會(huì)使飛機(jī)升限發(fā)生顯著變化，故為了保障飛行安全，應(yīng)根據(jù)具體的飛行條件確定飛行的安全高度。此時(shí)，首先必須考慮實(shí)際氣溫與標(biāo)準(zhǔn)氣溫的偏差，因此，在供高空飛行用的天氣預(yù)報(bào)中，必須指明氣溫的正偏差。編輯課件3.5氣溫和空氣密度對(duì)飛機(jī)起飛著陸的影響

氣溫和空氣密度對(duì)飛機(jī)起飛著陸性能的影響，主要是影響起飛和著陸時(shí)滑跑距離的長(zhǎng)短。無論是從飛行安全或戰(zhàn)時(shí)需要，都要求飛機(jī)的滑跑距離越短越好。一、對(duì)起飛滑跑距離的影響

1、幾個(gè)概念編輯課件3.5氣溫和空氣密度對(duì)飛機(jī)起飛著陸的影響（1）起飛滑跑距離：從飛機(jī)開始滑跑到飛機(jī)開始離地之間的距離（2）離地滑跑速度：飛機(jī)離開地面瞬間的地速(飛機(jī)相對(duì)于地面的運(yùn)動(dòng)速度)（3）離地速度：飛機(jī)離開地面瞬間的空速(飛機(jī)相對(duì)于空氣的運(yùn)動(dòng)速度)編輯課件3.5氣溫和空氣密度對(duì)飛機(jī)起飛著陸的影響2、飛機(jī)在起飛滑跑過程中的受力情況圖2.8滑跑時(shí)作用在飛機(jī)上的力編輯課件3.5氣溫和空氣密度對(duì)飛機(jī)起飛著陸的影響

飛機(jī)起飛滑跑的運(yùn)動(dòng)方程可以寫成