宇航概論2飛行環(huán)境.ppt

1、宇航概論,復(fù)旦大學(xué) 力學(xué)與工程科學(xué)系 孫 剛 教授,第二章 飛行環(huán)境,2.1 大氣環(huán)境 2.2 空間環(huán)境 2.3 國際標(biāo)準(zhǔn)大區(qū) 2.4 大氣的物理性質(zhì),2.1 大氣環(huán)境,根據(jù)大氣中溫度隨高度的變化可將大氣層劃分為對流層、平流層、中間層、電離層和散逸層。,2009年3月30日星期 一,北京航空航天大學(xué),第4頁,2.1.1 對流層（0 -18公里）,對流層是緊貼地面的一層，它受地面的影響最大。因?yàn)榈孛娓浇目諝馐軣嵘仙?，而位于上面的冷空氣下沉，這樣就發(fā)生了對流運(yùn)動，所以把這層叫做對流層。,2.1.1 對流層,它的下界是地面，上界因緯度和季節(jié)而不同。據(jù)觀測，在低緯度地區(qū)其上界為17-18公里；在中緯

2、度地區(qū)為10-12公里；在高緯度地區(qū)僅為8-9公里。夏季的對流層厚度大于冬季。以南京為例，夏季的對流層厚度達(dá)17公里，而冬季只有11公里，冬夏厚度之差達(dá)6公里之多。,2.1.1 對流層,對流層特點(diǎn) 對流層包含了大氣層質(zhì)量四分之三的大氣，氣體密度最大，大氣壓力也最高； 氣溫隨高度的增加而下降； 存在各種氣象變化：風(fēng)、雨、云、霧、雪等； 大氣不僅存在水平流動，也存在垂直流動。,2.1.2 平流層（18-50公里）,在對流層的頂部，直到高于海平面50-55公里的這一層，氣流運(yùn)動相當(dāng)平衡，而且主要以水平運(yùn)動為主，故稱為平流層。 平流層特點(diǎn) 平流層內(nèi)大氣只有水平運(yùn)動（水平風(fēng)）； 集中了全部大氣質(zhì)量的四分

3、之一不到的空氣。,2.1.3 中間層（50-80公里）,平流層之上，到高于海平面85公里高空的一層為中間層。這一層大氣中，含有大量的臭氧，氣溫隨高度的增加而下降的很快，到頂部氣溫已下降到-83以下。由于下層氣溫比上層高，有利于空氣的垂直對流運(yùn)動，故又稱之為高空對流層或上對流層。,2.1.3 中間層,中間層頂部尚有水汽存在,可出現(xiàn)很薄且發(fā)光的“夜光云”，在夏季的夜晚，高緯度地區(qū)偶爾能見到這種銀白色的夜光云。 中間層特點(diǎn) 大氣質(zhì)量只占大氣中質(zhì)量的1/3000左右。 含有大量的臭氧。,2.1.4 電離層（80-800）,從中間層頂部到高出海面800公里的高空，稱為暖(熱)層，又叫電離層。這一層空氣密

4、度很小，在700公里厚的氣層中，只含有大氣總重量的0.5。據(jù)探測，在120公里高空，聲波已難以傳播；270公里高空，大氣密度只有地面的一百億分之一，所以在這里即使在你耳邊開大炮，也難聽到什么聲音。暖層里的氣溫很高，據(jù)人造衛(wèi)星觀測，在300公里高度上，氣溫高達(dá)1000以上。所以這一層叫做暖層或者熱層。,2.1.5 散逸層,暖層頂以上的大氣統(tǒng)稱為散逸層，又叫外層。它是大氣的最高層，高度最高可達(dá)到3000公里。這一層大氣的溫度也很高，空氣十分稀薄，受地球引力場的約束很弱，一些高速運(yùn)動著的空氣分子可以掙脫地球的引力和其它分子的阻力散逸到宇宙空間中去。根據(jù)宇宙火箭探測資料表明，地球大氣圈之外，還有一層極

5、其稀薄的電離氣體，其高度可伸延到22000公里的高空，稱之為地冕。地冕也就是地球大氣向宇宙空間的過渡區(qū)域。人們形象地把它比作是地球的“帽子”。,2.2 空間環(huán)境,空間飛行環(huán)境主要是指真空、電磁輻射、高能粒子輻射、等離子和微流星體等所形成的飛行環(huán)境。 空間飛行器處于地球磁場之外，因此容易受到太陽風(fēng)等因素的影響。,2.3 國際標(biāo)準(zhǔn)大氣,為了準(zhǔn)確描述飛行器的飛行性能，必須建立一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，即標(biāo)準(zhǔn)大氣。 目前我國所采用的國際標(biāo)準(zhǔn)大氣，是一種“模式大氣”。它依據(jù)實(shí)測資料，用簡化方程近似地表示大氣溫度、密度和壓強(qiáng)等參數(shù)的平均鉛垂分布，并將計(jì)算結(jié)果排列成表，形成國際標(biāo)準(zhǔn)大氣表。,2.4 大氣的物理性質(zhì),大

6、氣的狀態(tài)參數(shù)和狀態(tài)方程 大氣的狀態(tài)參數(shù)是指壓強(qiáng)P、溫度T和密度 這三個參數(shù)。 它們之間的關(guān)系可以用氣體狀態(tài)方程表示，即 P = RT,2.4 大氣的物理性質(zhì),連續(xù)性 在研究飛行器和大氣之間的相對運(yùn)動時， 氣體分子之間的距離完全可以忽略不計(jì)，即把 氣體看成是連續(xù)的介質(zhì)。這就是在空氣動力學(xué) 研究中常說的連續(xù)性假設(shè)。,2.4 大氣的物理性質(zhì),粘性 大氣的粘性力是相鄰大氣層之間相互運(yùn)動時產(chǎn)生的牽扯作用力，即大氣相鄰流動層間出現(xiàn)滑動時產(chǎn)生的摩擦力，也叫做大氣的內(nèi)摩擦力。,2.4 大氣的物理性質(zhì),粘性與摩擦阻力 大氣流過物體時產(chǎn)生的摩擦阻力是與大氣的粘性有關(guān)系的。因此飛機(jī)飛行時所產(chǎn)生的摩擦阻力與大氣的粘性

7、也有很大關(guān)系。 理想流體通常把不考慮粘性的流體（即流體內(nèi)摩擦系數(shù)趨于零的流體）稱為理想流體或無粘流體。,2.4 大氣的物理性質(zhì),可壓縮性 流體是氣體（如空氣）和液體（如水）統(tǒng)稱。流體可壓縮性是指流體的壓強(qiáng)改變時其密度和體積也改變的性質(zhì)。當(dāng)氣流速度較小時，壓強(qiáng)和密度變化很小，可以不考慮大氣可壓縮性的影響。但當(dāng)大氣流動的速度較高時，壓強(qiáng)和速度的變化很明顯，就必須考慮大氣可壓縮性。,2.4 大氣的物理性質(zhì),一般認(rèn)為液體是不可壓縮的，氣體是可壓縮的。 水 空氣,2.4 大氣的物理性質(zhì),聲速 聲速是指聲波在物體中傳播的速度。聲速的大小和傳播介質(zhì)有關(guān)。在水中的聲速大約為1440米/秒；而在海平面標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，在空氣中的聲速僅為341米/秒(1227公里/小時）。由此可知介質(zhì)的可壓縮性越大，聲速越?。ㄈ缈諝猓?；介質(zhì)的可壓縮性越小，聲速越大（如水）。,2.4 大氣的物理性質(zhì),馬赫數(shù) Ma=v/a 式中v表示在一定高度下飛行器的飛行速度