chapt2飛行器的飛行環(huán)境

1、2024/3/22,第二章 飛行器的飛行環(huán)境,礦大力學(xué)系 喻梅,航空航天概論,2024/3/22,目錄,2.1 地球大氣層2.2 太陽系2.3 空間環(huán)境,航空航天概論,2024/3/22,2.1 地球大氣層,,航空航天概論,2024/3/22,2.1 地球大氣層,,亞里斯多德的猜想與伽利略的設(shè)想,古希臘哲學(xué)家亞里斯多德曾經(jīng)猜想：我們這個世界是由四個殼層組成的，而這四個殼層又分別由四種原質(zhì)構(gòu)成，它們是：土（實(shí)心球）

2、，水（海洋），空氣（大氣）和火（一個不可見的外層），在閃電的閃過中，它偶爾成為可見的）。他說，這些殼層之外的宇宙是由神秘的、純粹的第五種原質(zhì)構(gòu)成，他把它叫做“以太”。在這樣一幅圖像之中，是沒有“真空”（即“無物”）的位置的：在土的盡頭，水開始出現(xiàn)；土和水的盡頭，氣就開始出現(xiàn)；火開始于氣的盡頭；而在火的盡頭，以太又緊接著開始出現(xiàn)，它一直延續(xù)到宇宙的終極。,航空航天概論,2024/3/22,2.1 地球大氣層,,“大自然厭惡真空”古代的哲

3、學(xué)家們就是這樣說的。水壓機(jī)看來正是大自然厭惡真空的極好的例證。在水壓機(jī)的把手被壓下去時，活塞就被提起來，從而在圓筒的下半部分留下一段真空。但由于大自然厭惡真空，所以周圍的水會打開筒底的一個單向閥門，涌入真空。重復(fù)進(jìn)行這種運(yùn)作，就會把筒內(nèi)的水越提越高，直到它從泵口流出。根據(jù)亞里斯多德的學(xué)說，應(yīng)該能用這個方法把水提到任意高度的。,航空航天概論,2024/3/22,2.1 地球大氣層,,航空航天概論,但是那些不得不把水從礦坑底部汲上來的礦工

4、們發(fā)現(xiàn)，無論花費(fèi)多大的努力和多長的時間，都不可能把水汲到離原來水面10米以上。 伽利略的探索的一生的晚年，對這個謎感到興趣。顯然，大自然對真空的厭惡只是到一定的限度為止，除此之外，他不可能再得出任何結(jié)論了。他懷疑如果用密度比水大的液體，這個限度會低一些，但他沒有來得及做這個實(shí)驗(yàn)就死了。,2024/3/22,2.1 地球大氣層,,大氣以它變幻莫測的魅力吸引著人們。很早以前，人們就對這撲朔迷離的大氣世界產(chǎn)生了濃厚的興趣，特別對它的

5、“身世”是最關(guān)心的了。大氣是怎樣誕生的？原始大氣是什么樣子？是否與今天的大氣一樣？……這一系列問題一直爭論至今。人們都承認(rèn)，地球大氣是伴隨著地球的形成過程，經(jīng)過了億萬年的不斷“吐故納新”，才演變成今天的這個樣子。但它是怎樣演變的哪？一般認(rèn)為，地球大氣的演變過程可以分為三個階段。,航空航天概論,（一）原始大氣階段,（二）次生大氣階段,（三）今日大氣階段,2024/3/22,2.1 地球大氣層,（一）原始大氣階段,大約在50億年前，大氣伴

6、隨著地球的誕生就神秘地“出世”了。也就是拉普拉斯所說的星云開始凝聚時，地球周圍就已經(jīng)包圍了大量的氣體了。原始大氣的主要成分是氫和氦。當(dāng)?shù)厍蛐纬梢院?，由于地球?nèi)部放射性物質(zhì)的衰變，進(jìn)而引起能量的轉(zhuǎn)換。這種轉(zhuǎn)換對于地球大氣的維持和消亡都是有作用的，再加上太陽風(fēng)的強(qiáng)烈作用和地球剛形成時的引力較小，使得原始大氣很快就消失掉了。,航空航天概論,2024/3/22,2.1 地球大氣層,（二）次生大氣階段,地球生成以后，由于溫度的下降，地球表面發(fā)生

7、冷凝現(xiàn)象，而地球內(nèi)部的高溫又促使火山頻繁活動，火山爆發(fā)時所形成的揮發(fā)氣體，就逐漸代替了原始大氣，而成為次生大氣。次生大氣的主要成分是二氧化碳、甲烷、氮、硫化氫和氨等一些分子量比較重的氣體。這些氣體和地球的固體物質(zhì)之間，互相吸引，互相依存。氣體沒有被地球偌大的離心力所拋棄，而成為大氣的第二次生命——次生大氣。,航空航天概論,2024/3/22,2.1 地球大氣層,（三）今日大氣階段,隨著太陽輻射向地球表面的縱深發(fā)展，光波比較短的紫外線強(qiáng)

8、烈的光合作用，使地球上的次生大氣中生成了氧，而且氧的數(shù)量不斷地增加。有了氧，就為地球上生命的出現(xiàn)提供了極為有利的“溫床”。經(jīng)過幾十億萬年的分解、同化和演變，生命終于在地球這個襁褓中誕生了。原始的單細(xì)胞生命，在大氣所紡織的“搖籃”中，不斷地演變、進(jìn)化，終于發(fā)展成了今天主宰世界文明的高級人類。今天的大氣也在這個過程中，獲得了如此一個“美滿的家庭”。,航空航天概論,2024/3/22,2.1 地球大氣層,㈠ 對流層,根據(jù)大氣中溫度隨高度的變

9、化，可將大氣層分為五層：,大氣的分層,㈡ 平流層,㈢ 中間層,㈣ 熱層,㈤ 散逸層,航空航天概論,2024/3/22,2.1 地球大氣層,㈠ 對流層,航空航天概論,大氣的分層,大氣中最低的一層為對流層，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，所以把這層成為對流層。,對流層的下界是地面，上界隨地球緯度、季節(jié)的不同而變化。據(jù)觀測，在低緯度地區(qū)其上界為16～18km；在中緯度地區(qū)為9～1

10、2km;在南北極地區(qū)平均為7～8km。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)17km，而冬季只有11km，冬夏厚度之差達(dá)6km之多。,2024/3/22,2.1 地球大氣層,對流層的特點(diǎn)：,航空航天概論,大氣的分層,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；,② 氣溫隨高度升高而逐漸降低；,③ 空氣上下對流劇烈，風(fēng)向風(fēng)速經(jīng)常變化；,④ 有云、雨、霧、雪等天氣現(xiàn)象。,2024/3/22,

11、2.1 地球大氣層,航空航天概論,大氣的分層,在對流層的頂部，直到高于海平面約50km的這一層，氣流運(yùn)動相當(dāng)平穩(wěn)，而且主要以水平運(yùn)動為主，故稱為平流層。,㈡ 平流層,平流層的特點(diǎn)：,平流層集中了全部大氣質(zhì)量的四分之一不到的空氣；,② 氣溫隨高度的增加起初基本保持不變（約為216K）,到20～32km以上，氣溫升高較快，到了平流層頂，氣溫升至270～290 K。,③ 平流層大氣主要是水平方向的流動，沒有上下對流。,2024/3/22,2

12、.1 地球大氣層,航空航天概論,大氣的分層,㈢ 中間層,平流層之上，到高于海平面50～85 km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得很快，到頂部氣溫已下降到160～190 K。由于下層氣溫比上層高，有利于空氣的垂直對流運(yùn)動，故又稱為高空對流層或上對流層。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。,2024/3/22,2.1 地球大氣層

13、,中間層的特點(diǎn)：,航空航天概論,大氣的分層,所含大氣質(zhì)量只占大氣總質(zhì)量的 1/3000 左右；,② 氣溫隨高度升高而下降；,③ 含有大量的臭氧。,2024/3/22,2.1 地球大氣層,航空航天概論,大氣的分層,從中間層頂部到高出海平面800 km之間的一層稱為熱層，又叫電離層。這一層空氣密度很小，在700 km厚的氣層中，只含有大氣總質(zhì)量的0.5％。據(jù)探測，在120 km的高空，聲波已難以傳播；270 km高空，大氣密度只有地面的一

14、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。熱層中氣溫很高，且隨高度增高而上升。據(jù)人造衛(wèi)星觀測，在300 km高度上，氣溫高達(dá)1000℃以上。熱層空氣由于直接受到太陽短波輻射，處于高度電離狀態(tài)，所以這一層又叫做電離層。,㈣ 熱層,2024/3/22,2.1 地球大氣層,航空航天概論,大氣的分層,㈤ 散逸層,熱層頂界以上為散逸層，又叫外層。在此層內(nèi)，空氣極其稀薄，又遠(yuǎn)離地面，受地球引力很小，因而大氣分子不斷地向星際空間逃

15、逸。這層內(nèi)的大氣質(zhì)量只有整個大氣質(zhì)量的10－11，大氣外層的頂界約為2000～3000 km的高度。,根據(jù)宇宙火箭探測資料表明，地球大氣圈之外，還有一層極其稀薄的電離氣體，其高度可延伸到22000 km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”。,2024/3/22,2.1 地球大氣層,國際標(biāo)準(zhǔn)大氣,航空航天概論,國際標(biāo)準(zhǔn)大氣是由國際性組織（如國際民用航空組織、國際標(biāo)準(zhǔn)化組織）頒布的

16、一種“模式大氣”。,國際標(biāo)準(zhǔn)大氣有如下規(guī)定：,大氣被看成完全氣體，服從氣體的狀態(tài)方程；,② 以海平面的高度為零高度，在海平面上大氣的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)為：,氣溫 T=15℃,壓強(qiáng) p=1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（10330 kg/m2）,密度 ρ=1.225 kg/m3,音速 a=341 m/s,2024/3/22,2.1 地球大氣層,大氣的物理性質(zhì),航空航天概論,1、大氣的狀態(tài)參數(shù)和狀態(tài)方程,2、連續(xù)性,3、粘性,4、可壓縮性,5、聲速,6、馬

17、赫數(shù),2024/3/22,2.1 地球大氣層,大氣的物理性質(zhì),1、大氣的狀態(tài)參數(shù)和狀態(tài)方程,大氣的狀態(tài)參數(shù)是指它的壓強(qiáng) p 、溫度 T 和密度ρ 這三個參數(shù)。,氣體狀態(tài)方程：,p =ρRT,式中： T 為大氣的絕對溫度（單位 K），它和攝氏溫度t（單位℃）之間的 關(guān)系為：T = t +273 ; R為大氣氣體常數(shù)，其值為287.05 J/kg·K。,航空航天概論,2024/3

18、/22,2.1 地球大氣層,大氣的物理性質(zhì),氣體是由大量的分子組成的，在標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)下，每1 mm3的空間中含有2.7×1016各分子，每個分子都有自己的位置、速度和能量。,當(dāng)飛行器在空氣介質(zhì)中運(yùn)動時，由于飛行器的外形尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣體分子的自由行程，因此氣體分子之間的距離完全可以忽略不計，即把氣體看成是連續(xù)的介質(zhì)。——空氣動力學(xué)中的連續(xù)性假設(shè),航空航天概論,2、連續(xù)性,航天器所處的飛行環(huán)境為高空大氣層和外層空間，空氣分子間的

19、平均自由行程很大，大約與飛行器的外形尺寸在同一個量級甚至更大，在此情況下，大氣就不能看成是連續(xù)介質(zhì)了。,2024/3/22,2.1 地球大氣層,大氣的物理性質(zhì),大氣的粘性，主要是由氣體分子作不規(guī)則運(yùn)動的結(jié)果。,大氣的粘性是空氣在流動過程中表現(xiàn)出的一種物理性質(zhì)。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，也叫做大氣的內(nèi)摩擦力（即大氣相鄰流動層間出現(xiàn)滑動時產(chǎn)生的摩擦力）。,航空航天概論,3、粘性,流體的粘性和溫度是有關(guān)系的，隨

20、著流體溫度的升高，氣體的粘性將增加，而液體的粘性反而減小。,2024/3/22,2.1 地球大氣層,大氣的物理性質(zhì),大氣的粘性是空氣在流動過程中表現(xiàn)出的一種物理性質(zhì)。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，也叫做大氣的內(nèi)摩擦力（即大氣相鄰流動層間出現(xiàn)滑動時產(chǎn)生的摩擦力）。,航空航天概論,3、粘性,在常溫下，水的內(nèi)摩擦系數(shù)為1.002×10-3 Pa·s，而空氣的內(nèi)摩擦系數(shù)為1.81×10-

21、5 Pa·s，其值僅是水的1.81％。,流體粘性的大小可以用流體的內(nèi)摩擦系數(shù)來衡量。,2024/3/22,2.1 地球大氣層,大氣的物理性質(zhì),氣體的可壓縮性是指當(dāng)氣體的壓強(qiáng)改變時其密度和體積改變的性質(zhì)。,航空航天概論,4、可壓縮性,5、聲速,聲速是指聲波在物體中傳播的速度。,聲波是一個振動的聲源在介質(zhì)中傳播時產(chǎn)生的疏密波（壓縮與膨脹相間的波）,聲速的大小和傳播介質(zhì)有關(guān)。在水中的聲速大約為1440 m/s，而在海平面標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下

22、，在空氣中的聲速僅為341 m/s。,聲速也隨著溫度的變化而變化。在對流層中，氣溫隨高度而降低，聲速也隨著降低，在11 000 m，聲速降低到 296 m/s。,2024/3/22,2.1 地球大氣層,大氣的物理性質(zhì),要衡量空氣被壓縮程度的大小，可以把這兩個因素結(jié)合起來。用馬赫數(shù)（Mach Number）來表示，即,航空航天概論,6、馬赫數(shù),對于空氣的壓縮性來說，在衡量它的壓縮程度時，應(yīng)考慮的一個因素是聲速。聲速越大，空氣就越難壓縮。

23、另一個應(yīng)考慮的因素是飛行器的運(yùn)動速度。運(yùn)動速度越大，則施加給空氣的壓力就越大，空氣被壓縮得也越厲害。由此可見，空氣被壓縮的程度，與聲速成反比，而與飛機(jī)飛行速度成正比。,式中的 v 表示在一定高度上，飛行器的飛行速度，a 則表示該處的聲速。,Ma = v/a,2024/3/22,2.1 地球大氣層,大氣的物理性質(zhì),根據(jù)馬赫數(shù)的大小，可以把飛行器的飛行速度劃分為如下區(qū)域，即,航空航天概論,6、馬赫數(shù),Ma ≤ 0.4,為低速飛行,0.4＜

24、Ma ≤ 0.85,為亞聲速飛行,0.85＜Ma ≤ 1.3,為跨聲速飛行,1.3＜Ma ≤ 5.0,為超聲速飛行,Ma ＞5.0,為高超聲速飛行,2024/3/22,2.2 太陽系,航空航天概論,太陽系是四十六億年前伴隨著太陽的形成而形成的。太陽星云由于自身引力的作用而逐漸凝聚，漸漸形成了一個由多個天體按一定規(guī)律排列組成的天體系統(tǒng)。太陽系的成員包括一顆恒星、九大行星、至少六十三顆衛(wèi)星、約一百萬顆小行星、無數(shù)的彗星和星際物質(zhì)等。,20

25、24/3/22,2.2 太陽系,航空航天概論,注：地球到太陽的平均距離一億五千萬公里為一個天文單位。,2024/3/22,2.2 太陽系,,太陽系九大行星比較,最左側(cè)是太陽，向右依次為水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星和冥王星。木星的直徑是地球的11倍，太陽是木星直徑的10倍。冥王星只有地球的1/5大小。這個示意圖中并沒有顯示出九大行星與太陽的距離關(guān)系。,航空航天概論,2024/3/22,2.2 太陽系,水星,水星

26、是太陽系中最靠近太陽的大行星，距太陽的平均距離約5800萬公里。除冥王星外，它是太陽系中最小的，直徑約4870公里。 水星繞日公轉(zhuǎn)的軌道是一個很扁的橢圓。它的公轉(zhuǎn)周期是大行星中最短的，僅88個地球日。它的平均軌道速度是大行星中最高的，為每秒48公里。水星的自轉(zhuǎn)速度很慢，它自轉(zhuǎn)一周等于地球上59天，而水星上的兩次日出要間隔176個地球日。,航空航天概論,2024/3/22,2.2 太陽系,金星,金星是太陽系的九大行星之一，

27、按照離太陽由近及遠(yuǎn)的順序排列是第二顆，緊挨著我們的地球。在夜晚的天空中，除了月球之外，金星是最明亮的天體，亮度最大時為-4.4等，比著名的天狼星還亮14倍。中國民間稱為“太白星”或“太白金星”。古代有人把它誤認(rèn)為是兩顆星，在中國史書上，分別稱為“啟明星”和“長庚星”。,古希臘人稱它為阿佛洛狄忒（Aphrodite）——愛與美的女神，而羅馬人則稱它為維納斯（Venus）——美神。,航空航天概論,2024/3/22,2.2 太陽系,——宇

28、宙中的綠洲,地球無疑是太陽系乃至宇宙中最為精彩絕倫的一個天體。地球上有著其他行星沒有的萬千氣象；得天獨(dú)厚地享受太陽的適當(dāng)溫度；保護(hù)萬物眾生的無害大氣和滋潤生靈的江河湖海。更精彩的是地球孕育了宇宙中極為罕見的生命以及生命的極至——人類。人們站在地球上仰望星空，像始終給予人們浪漫幻想一樣，月亮永遠(yuǎn)伴隨著地球年復(fù)一年。,地球,航空航天概論,2024/3/22,2.2 太陽系,火星,按距離太陽的遠(yuǎn)近，火星排在第四位，是地球的鄰居。因?yàn)榛鹦桥c地

29、球之間的距離變化幅度相當(dāng)大，在夜空里的位置也不斷變化，看上去它總是時亮?xí)r暗，所以中國古代稱它為“熒惑”。又因?yàn)樗念伾l(fā)紅，古代羅馬人便用神話中的戰(zhàn)神瑪爾斯（Mars）給它命名。,——地球的近鄰,航空航天概論,2024/3/22,2.2 太陽系,木星,木星是太陽系九大行星中最大的一個，其他所有行星加在一起還不夠它的一半；木星是一個液態(tài)的星球，沒有固定的表面；它的大氣日夜不停地咆哮，橙色的厚厚云層被高速旋轉(zhuǎn)的木星拉出色彩斑斕的條紋；木星

30、的主要成分是氫和氦，與太陽類似且自身還在發(fā)出熱能，有人說它會發(fā)展稱為一顆恒星；巨大的木星擁有16顆衛(wèi)星，儼然是太陽系中的一個小家族。其中的一顆衛(wèi)星上居然被認(rèn)為可能有生命存在……。所有這些使木星與其他行星相差甚遠(yuǎn)，引得地球人倍加注目。,航空航天概論,2024/3/22,2.2 太陽系,土星,2004年7月1日，經(jīng)過七年漫長的宇宙飛行，“卡西尼”號飛船到達(dá)神秘的土星。土星有一個巨大而迷人的光環(huán)，那是由無數(shù)物質(zhì)碎片或冰塊組成的，里面包含著很

31、多關(guān)于太陽系形成的信息；土星還擁有太陽系最大的衛(wèi)星泰坦，那里有濃厚的大氣，可能還有冰的海洋。過去人們以為遙遠(yuǎn)的土星就是太陽系的邊界，現(xiàn)在已經(jīng)可以到那里去做客。,航空航天概論,2024/3/22,2.2 太陽系,天王星,18世紀(jì)末期，一個英國音樂師喜歡上了磨制望遠(yuǎn)鏡，并一發(fā)而不可收。1781年3月的一天，他用自己磨制的望遠(yuǎn)鏡巡天觀察時，偶然發(fā)現(xiàn)了一顆星。起初，他以為是一顆彗星，后來根據(jù)它的運(yùn)動，確定是顆行星。這個音樂師叫威廉·

32、赫歇爾，那顆行星叫天王星。赫歇爾的發(fā)現(xiàn)使人類知道土星之外還有一顆大行星。后來赫歇爾磨制了數(shù)百架望遠(yuǎn)鏡，改行做了天文學(xué)家。,2024/3/22,2.2 太陽系,海王星,天王星發(fā)現(xiàn)以后，引發(fā)了一股觀測天象的熱潮。天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)天王星不能像別的行星那樣規(guī)矩地在軌道上運(yùn)行，便懷疑在天王星的外面還有一顆行星在干擾它。這顆未知的行星比天王星還遙遠(yuǎn)，它的光亮一定非常微弱，找到它難如大海撈針。后來英國和法國的兩個年輕人根據(jù)一些科學(xué)定律，用筆和紙計算出了

33、那顆未知行星的軌跡，在他們的“指引”下，天文臺馬上就在茫茫夜空里找到了這顆星。人們給它起名：海王星。這件事又一次體現(xiàn)出科學(xué)理論預(yù)言未知事物的巨大威力。這兩個年輕人是英國的亞當(dāng)斯和法國的勒維耶。,——遙遠(yuǎn)的藍(lán)色星球,2024/3/22,NASA的“新地平線”冥王星－開普帶探測器到達(dá)冥王星時的想像圖,——最遙遠(yuǎn)的行星,2.2 太陽系,冥王星,1930年，24歲的美國天文學(xué)家湯博發(fā)現(xiàn)了冥王星。使太陽系的大行星增加到了九顆。冥王星是九大行星中

34、個子最小，離太陽最遠(yuǎn)的一個，既使用世界上最大的望遠(yuǎn)鏡觀測，它也只有一粒小米般大。冥王星離太陽比地球要遠(yuǎn)38倍半，它環(huán)繞太陽一圈需要248.5年，從它被發(fā)現(xiàn)至今，也才轉(zhuǎn)了不到三分之一圈。對這個位于太陽系邊緣的行星，目前人類所知甚少。,2024/3/22,2.3 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、等離子體和微流星體等所形成的飛行環(huán)境。,地球空間環(huán)境,地球空間環(huán)境包括地球高層大氣環(huán)境、電離層環(huán)境和磁環(huán)境。,高層大氣

35、密度和壓強(qiáng)隨高度增加按指數(shù)規(guī)律下降，最后接近真空。,電離層離地球表面60～1000 km，在這里大氣中的原子在太陽輻射作用下，電離成自由電子和正離子，電子濃度隨高度、晝夜、季節(jié)、緯度和太陽的活動而變化。,地球本身具有較強(qiáng)的磁場，它從距地球表面600～1000 km處開始向遠(yuǎn)處空間延伸，影響范圍向上可達(dá)數(shù)萬米。磁層中還存在著密集的高能帶電離子輻射帶，又稱“范愛倫輻射帶”，可能引起航天材料、器材和人體的輻射損傷。,2024/3/22,2.3