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空 气 动 力 学 教 学 安 排开 课 学 期 3 总 学 时 数 36学 时适 用 专 业 飞 机 维 修 专 业 （ ME、 AV）首 选 教 材 执 照 教 材参 考 教 材 简 明 空 气 动 力 学 （ 内 部 教 材 ）空 气 与 气 体 动 力 学 引 论 李 凤 蔚 西 北 工 业 大 学 出 版 社 课 程 大 纲 说 明 本 课 程 与 其 它 课 程 的 联 系主 要 后 续 课 程 ：l 发 动 机 原 理 、 构 造 与 系 统 ；l 飞 机 结 构 与 系 统 课 程 的 性 质l 机 务 专 业 一 门 重 要 专 业 基 础 课 空 气 动 力 学 基 础 （ ME、 AV）第 一 章 大 气 物 理 学第 二 章 空 气 动 力 学第 三 章 飞 行 理 论第 四 章 飞 机 的 稳 定 性 和 操 纵 性 第 一 章 大 气 物 理 学 1.1 大 气 的 重 要 物 理 参 数 1.2 大 气 层 的 构 造 1.3 国 际 标 准 大 气 （ ISA） 1.4 气 象 对 飞 行 活 动 的 影 响 1.5 大 气 状 况 对 飞 机 机 体 腐 蚀 的 影 响 气 体 动 力 学 的 研 究 对 象 和 研 究 方 法l 气 体 动 力 学 是 研 究 可 压 缩 流 体 ， 特 别 是 气 体 在 流动 过 程 中 气 体 运 动 的 基 本 规 律 以 及 气 体 与 物 体 之间 相 互 作 用 的 一 门 科 学 。 流 体 静 力 学流 体 力 学 可 压 缩 流 体 力 学 流 体 动 力 学 （ 气 体 动 力 学 ） 不 可 压 缩 流 体 力 学 空 气 流 经 飞 机 机 身 空 气 流 过 发 动 机 的 进 气 道 空 气 流 过 桨 叶 （ 螺 旋 桨 发 动 机 ） 燃 气 流 过 尾 喷 管 等力 的 作 用 热 量 的 交 换 机 械 功 的 交 换 燃 气 涡 轮 喷 气 发 动 机 气 轮 机 飞 机 加 速 通 过 音 障 质 量 守 恒 牛 顿 第 二 定 律 热 力 学 第 一 定 律 热 力 学 第 二 定 律研 究 方 法 分 为 ： 实 验 研 究 、 理 论 研 究 和 数 值 研 究 1.1 大 气 的 重 要 物 理 参 数 按 体 积 计 算 ， 氮 气 78%， 氧 气 21% 密 度 温 度 压 力 粘 性 压 缩 性 湿 度 音 速 1.1 大 气 的 重 要 物 理 参 数 大 气 密 度l 单 位 体 积 内 空 气 质 量 ，l 大 气 密 度 随 高 度 的 增加 而 减 小 。Vm 1.1 大 气 的 重 要 物 理 参 数 大 气 温 度l 温 度 高 低 表 明 空 气 分 子 不 规 则 热 运 动 平 均 速 度的 大 小 。l 在 11km以 下 ， 随 高 度 的 增 加 气 温 下 降 ， 线 性 变化 。 摄 氏 温 度 ， 华 氏 温 度 和 绝 对 温 度 。摄 氏 温 度 / oC 华 氏 温 度 /oF 绝 对 温 度 /oK在 标 准 大 气 压 下 ，纯 水 的 沸 点 100 212 373.15在 标 准 大 气 压 下 ，纯 水 的 冰 点 0 32 273.15 1.1 大 气 的 重 要 物 理 参 数15.273 95)32( ck Fc TT TT Tc摄 氏 温 度 Tf华 氏 温 度 Tk绝 对 温 度 1.1 大 气 的 重 要 物 理 参 数 大 气 压 力l 大 气 层 内 空 气 的 压 强 ，即 单 位 面 积 上 承 受 的空 气 的 垂 直 作 用 力 。 空 气 重 力 空 气 分 子 的 热 运 动l 度 量 单 位 标 准 大 气 压101325Pal 大 气 压 随 高 度 增 大 而减 小 。 1.1 大 气 的 重 要 物 理 参 数 粘 性l 粘 性 是 流 体 的 固 有 属 性 之 一 。 它 与 物 体 在 介 质中 的 运 动 密 切 相 关 。l 流 体 的 粘 性 是 指 流 体 微 团 间 发 生 相 对 滑 移 时 产生 切 向 阻 力 的 性 质 。l 大 气 的 粘 性 主 要 由 于 气 体 分 子 不 规 则 运 动 造 成的 。 粘 性 流 体 是 不 能 承 受 剪 切 力 的 ， 即 使 在 很 小 的 剪切 力 作 用 下 ， 流 体 会 连 续 不 断 的 变 形 ， 但 是不 同 的 流 体 在 相 同 作 用 的 剪 切 力 下 变 形 的 速度 是 不 同 的 ， 也 就 是 不 同 的 流 体 抵 抗 剪 切 力的 能 力 不 同 ， 这 种 能 力 成 为 流 体 的 粘 性 。 1.1 大 气 的 重 要 物 理 参 数 粘 性 力 计 算 公 式 ： 表 示 横 向 速 度 梯 度 为1时 ， 在 流 层 单 位 接 触面 积 上 产 生 的 粘 性 力 。称 为 流 体 的 粘 度 系 数（ 动 力 粘 度 系 数 ） ， 单位 是 PaS。 SyF )/( 1.1 大 气 的 重 要 物 理 参 数 不 同 流 体 的 粘 性 系 数 各 不 相 同 ， 同 一 流 体的 粘 性 系 数 也 与 温 度 有 关 。l 液 体 的 粘 性 系 数 随 温 度 的 升 高 而 降 低l 气 体 的 粘 性 系 数 随 温 度 的 升 高 而 增 大 实 际 流 体 都 是 有 粘 性 的 ， 没 有 粘 性 的 流 体称 为 理 想 流 体 。 牛 顿 内 摩 擦 定 律 至 于 粘 性 系 数 与 温 度 的 关 系 已 被 大 量 的 实 验 所 证明 。 液 体 的 粘 性 系 数 随 温 度 的 增 加 而 下 降 气 体 的 粘 性 系 数 随 温 度 而 增 加 。l 这 种 截 然 相 反 的 结 果 可 用 液 体 的 微 观 结 构 去 阐 明 。l 流 体 间 摩 擦 的 原 因 是 分 子 间 的 内 聚 力 、 分 子 和 壁 面 的附 着 力 及 分 子 不 规 则 的 热 运 动 而 引 起 的 动 量 交 换 ， 使部 分 机 械 能 变 为 热 能 。 这 几 种 原 因 对 液 体 与 气 体 的 影响 是 不 同 的 。 l 因 为 液 体 分 子 间 距 增 大 ， 内 聚 力 显 著 下 降 。 而 液 体 分子 动 量 交 换 的 增 加 又 不 足 以 补 偿 ， 故 其 粘 性 系 数 下 降 。l 对 于 气 体 则 恰 恰 相 反 ， 其 分 子 热 运 动 对 粘 滞 性 的 影 响居 主 导 地 位 ， 当 温 度 增 加 时 ， 分 子 热 运 动 更 为 频 繁 ，故 气 体 粘 性 系 数 随 温 度 而 增 加 。 1.1 大 气 的 重 要 物 理 参 数 液 体气 体 粘 度 系 数 随 温 度 变 化 情 况温 度 升 高 ，气 体 粘 度 系数 增 大 。 温 度 升 高 ，液 体 粘 度系 数 减 小 。 1.1 大 气 的 重 要 物 理 参 数 可 压 缩 性l 流 体 在 压 强 或 温 度 改 变 时 ， 能 改 变 其 原 来 体 积 及 密 度 的 特性 。l 流 体 的 可 压 缩 性 用 单 位 压 强 所 引 起 的 体 积 变 化 率 表 示 。 即在 相 同 压 力 变 化 量 的 作 用 下 ， 密 度 （ 或 体 积 ） 的 变 化 量 越大 的 物 质 ， 可 压 缩 性 就 越 大 。 l 空 气 的 可 压 缩 性 如 何 体 现 ？ 在 低 速 飞 行 时 忽 略 空 气 可 压 缩 性 的 影 响 （ Ma0.4）P可 压 缩 性 1.1 大 气 的 重 要 物 理 参 数 湿 度l 大 气 的 潮 湿 程 度 ， 通 常 用 相 对 湿 度 来 表 示 。 相 对 湿 度 指 大 气 中 所 含 水 蒸 汽 的 量 与 同 温 度 下 大气 能 含 有 的 水 蒸 汽 最 大 量 之 比 。l 温 度 越 高 大 气 所 能 含 有 的 水 蒸 汽 最 大 量 越 大 。 露 点 温 度 ： 使 大 气 的 相 对 湿 度 达 到 100%时 的 温 度 。l 含 有 水 蒸 汽 的 空 气 比 干 空 气 密 度 小 。 1.1 大 气 的 重 要 物 理 参 数 音 速l 音 速 是 小 扰 动 在 介 质 中 的 传 播 速 度 （ 米 /秒 ） 。 物 体 的 振 动 在 介 质 中 引 起 的 小 扰 动 会 以 介 质 不 断被 压 缩 、 膨 胀 的 形 式 向 四 周 传 播 ， 形 成 介 质 疏 密交 替 变 化 的 小 扰 动 波 。l 音 速 与 传 播 介 质 的 可 压 缩 性 有 关 。 把 音 速 的 大小 看 成 是 表 示 介 质 压 缩 性 大 小 的 一 个 指 标 。l 在 同 一 种 介 质 中 ， 音 速 的 大 小 只 随 介 质 的 温 度而 变 化 ， 空 气 中 的 音 速 计 算 公 式 ： l 为 气 体 常 数 ， 287J/Kg.K 1/2 pa 20.1 ,( )a rRT T T 为 绝 对 温 度 1.2 大 气 层 的 构 造 地 球 大 气 层 l 对 流 层 (变 温 层 ) l 平 流 层 (同 温 层 ) l 中 间 层 l 电 离 层 (热 层 ) l 散 逸 层 民 用 运 输 机 的 飞 行 范 围 对 流 层 (变 温 层 )的 特 点l 对 流 层 的 平 均 高 度 在 地 球 中 纬 度 地 区 约 11公 里 ，在 赤 道 约 17公 里 ， 在 两 极 约 8公 里 。l 在 对 流 层 内 几 乎 包 含 了 全 部 大 气 质 量 的 四 分 之三 。 大 气 中 含 有 大 量 的 水 蒸 气 及 其 它 微 粒 ， 所以 云 、 雨 、 雪 、 雹 及 暴 风 等 气 象 变 化 也 仅 仅 产生 在 对 流 层 中 。l 对 流 层 内 不 仅 有 空 气 的 水 平 流 动 ， 还 有 垂 直 流动 ， 形 成 水 平 方 向 和 垂 直 方 向 的 突 风 。l 对 流 层 内 的 空 气 温 度 、 密 度 和 气 压 随 着 高 度 的增 加 而 下 降 。 0 11km 平 流 层 (同 温 层 )的 特 点l 从 对 流 层 顶 起 到 离 地 面 约 50公 里 之 间 称 为 平 流 层 。 该层 下 半 部 （ 大 约 20km以 下 ） 的 空 气 温 度 几 乎 不 变 ， 在同 一 纬 度 处 可 以 近 似 看 作 常 数 ， 常 年 平 均 值 为 摄 氏 零下 56.5度 ， 所 以 又 称 为 同 温 层 。l 同 温 层 之 上 随 着 高 度 的 增 加 ， 温 度 逐 步 升 高 ， 直 到 顶部 温 度 升 高 到 00C左 右 。l 在 平 流 层 中 ， 空 气 只 有 水 平 方 向 的 流 动 。 空 气 稀 薄 ，几 乎 没 有 水 蒸 汽 ， 故 没 有 雷 雨 等 现 象 ， 故 得 名 为 平 流层 。 空 气 质 量 占 整 个 大 气 的 四 分 之 一 不 到 。 l 大 气 能 见 度 好 ， 气 流 平 稳 ， 空 气 阻 力 小 ， 对 飞 行 有 利 。现 代 喷 气 式 客 机 多 在 11-12km的 平 流 层 底 层 （ 巡 航 ） 飞行 。 11km20km水 平 风水 平 风 零 度同 温 层 中 间 层 、 电 离 层 的 特 点l 中 间 层 的 特 点 中 间 层 从 离 地 面 50公 里 到 80公 里 为 止 。 空 气 十 分 稀 薄 ， 温 度 随 高 度 增 加 而 下 降 。 空 气 在 垂 直 方 向 有 强 烈 的 运 动 。 l 电 离 层 (热 层 )的 特 点 中 间 层 以 上 到 离 地 面 800公 里 左 右 就 是 电 离 层 。 空 气 处 于 高 度 的 电 离 状 态 ， 带 有 很 强 的 导 电 性 ，能 吸 收 、 反 射 和 折 射 无 线 电 波 。 空 气 温 度 很 高 ， 并 随 着 高 度 的 增 加 而 上 升 ， 所 以又 称 为 热 层 。 空 气 密 度 极 小 ， 声 音 已 无 法 传 播 。l 散 逸 层 大 气 层 的 最 外 层 ； 地 心 引 力 小 ， 大 气 分 子 散 逸 于太 空 中 。 1.3 国 际 标 准 大 气 （ ISA）l 国 际 标 准 大 气 是 由 国 际 民 航 组 织 （ ICAO） 制 定 的 ， 它是 以 北 半 球 中 纬 度 地 区 大 气 物 理 性 质 的 平 均 值 为 依 据 ，加 以 适 当 的 修 正 建 立 的 。l 国 际 标 准 大 气 具 有 以 下 的 规 定 ： 大 气 是 静 止 的 、 相 对 湿 度 为 零 的 ， 洁 净 的 完 全 气 体 ，即 服 从 状 态 方 程 。 以 海 平 面 作 为 高 度 计 算 的 起 点 ， 即 H=0， 并 且 在 该 处l 大 气 温 度 288.15K， 或 15l 大 气 压 强 1.01325105 帕l 大 气 密 度 1.225千 克 /米 3l 声 速 340.29m/sRTp 国 际 标 准 大 气 表H(千 米 ) T( ) a(米 /秒 ) p10-4(牛 顿 /米 2) (千 克 /米 3) 105(千 克 /米 秒 ) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 91011121314151617181820 30456075 15.0 8.5 2.0 -4.5-11.0-17.5-24.0-30.5-37.0-43.5-50.0-56.5-56.5-56.5-56.5 -56.5-56.5-56.5-56.5-56.5-56.5-56.5 40.0 70.0-10.0 340336332329325320316312308304299295295295295 295295295295295295295355372325 10.132 8.987 7.948 7.010 6.163 5.400 4.717 4.104 3.558 3.073 2.642 2.261 1.932 1.650 1.409 1.203 1.027 0.785 0.749 0.640 0.546 0.117 0.017 0.0030.0006 1.2261.1121.0070.9090.8200.7370.6600.5890.5260.4670.4130.3640.3110.2650.227 0.1940.1630.1410.1210.1030.0880.0190.0023.9 10-48.0 10-5 1.7801.7491.7171.6841.6521.6191.5861.5521.5171.4821.4471.4181.4181.4181.418 1.4181.4181.4181.4181.4181.4181.4181.9122.0471.667 国 际 标 准 大 气 的 应 用 设 计 飞 机 时 应 该 按 此 标 准 计 算 飞 机 的 飞 行 性 能 ， 飞机 试 飞 结 果 也 应 该 换 算 成 标 准 大 气 条 件 下 的 结 果 ，以 便 分 析 和 比 较 。 飞 机 飞 行 手 册 中 列 出 的 飞 行 性 能 数 据 是 在 国 际 标 准大 气 条 件 下 得 出 的 ， 要 得 出 实 际 大 气 情 况 下 飞 机 的飞 行 性 能 必 须 根 据 实 际 大 气 情 况 对 性 能 数 据 进 行 修正 。 这 种 换 算 的 主 要 工 作 是 要 确 定 实 际 大 气 和 国 际 标 准大 气 的 温 度 偏 差 （ ISA偏 差 ） 。 1.4 气 象 对 飞 行 活 动 的 影 响 阵 风 对 飞 机 飞 行 的 影 响l 大 气 层 中 空 气 短 时 间 强 烈 对 流 产 生 的 扰 动 称 为 阵 风 。l 阵 风 会 随 时 改 变 飞 机 相 对 气 流 的 速 度 和 迎 角l 水 平 阵 风 、 侧 向 阵 风 、 垂 直 阵 风 * 水 平 阵 风 ： 只 改 变 相 对 气 流 的 速 度 对 飞 行 所 影 响较 小 。 * 垂 直 阵 风 ： 既 改 变 相 对 气 流 的 速 度 又 改 变 飞 机 的迎 角 。 垂 直 阵 风 由 下 向 上 吹 来 ， 速度 增 加 ， 迎 角 增 大 ， 升 力 增大 ， 瞬 间 飞 机 承 受 较 大 载 荷 ，飞 机 产 生 向 上 曲 线 运 动 ， 机头 上 仰 ； 阵 风 消 失 后 ， 飞 机 恢 复 原 飞行 姿 态 ； 垂 直 阵 风 由 上 向 下 吹 来 ， 速度 减 少 ， 迎 角 减 小 ， 升 力 减小 ， 瞬 间 飞 机 承 受 较 小 载 荷 ，甚 至 向 下 的 载 荷 ， 飞 机 产 生向 下 曲 线 运 动 ， 机 头 下 俯 。 颠 簸 的 产 生 ？ ？ 飞 机 迎 角 的 改 变 对 飞 机 升 力 的 影 响 较 大 ， 可 能 导 致 :l 1、 颠 簸l 2、 受 载 过 大 ： 高 速 飞 行 （ 小 迎 角 状 态 ） 遇 到 垂 直 向 上 突风 时 应 使 飞 机 减 速 （ 加 大 迎 角 ） ， 避 免 产 生 过 大 的 气 动 载荷 。l 3、 飞 机 失 速 ： 低 速 飞 行 （ 大 迎 角 状 态 ） 遇 到 垂 直 向 上 突风 时 应 使 飞 机 速 度 提 高 （ 减 小 迎 角 ） ， 避 免 飞 机 大 迎 角 失速 。 侧 向 阵 风 ： 从 飞 机 侧 向 吹 来 的 阵 风 ；l 引 起 飞 机 摇 晃 、 摆 头 等 ， 但 对 飞 行 影 响 不 大 。 如 果 飞 机 飞 行 速 度 很 大 ， 垂 直阵 风 对 飞 机 飞 行 速 度 影 响 引 起的 升 力 变 化 非 常 小 ； 垂 直 阵 风 改 变 飞 机 相 对 气 流 的迎 角 引 起 的 升 力 变 化 很 大 ； 飞 机 稳 态 飞 行 ， 有 利 迎 角 为40C， 在 垂 直 阵 风 速 度 达 到 飞机 飞 行 速 度 的 1/10时 ， 引 起 的迎 角 增 量 可 达 50C， 引 起 的 气动 升 力 变 化 可 观 。 相 同 风 速 下 ， 垂 直 阵 风 对 飞 机飞 行 造 成 的 影 响 比 水 平 阵 风 严重 。 1.4 气 象 对 飞 行 活 动 的 影 响 稳 定 风 场 的 影 响 ： 主 要 影 响 飞 机 的 起 飞 和 着 陆l 1、 逆 风 起 飞 和 着 陆 ， 以 减 小 起 飞 和 着 陆 速 度 及 滑 跑 距 离 。 逆 风 起 飞 ， 飞 机 起 飞 滑 跑 距 离 较 短 即 可 达 到 要 求 的 空 速 ，获 取 升 力 ， 使 飞 机 离 地 。 逆 风 着 陆 ， 使 飞 机 保 持 一 定 的 空 速 ， 获 得 所 需 要 的 升 力下 ， 以 最 小 的 着 地 速 度 着 陆 ， 并 可 增 加 阻 力 ， 减 少 滑 跑距 离 。l 2、 侧 风 起 飞 后 应 进 行 航 向 修 正 。 侧 风 着 陆 前 应 进 行 侧 滑修 正 侧 风 在 飞 机 起 飞 或 者 着 陆 时 ， 在 飞 机 上 产 生 侧 向 载 荷 ，带 着 飞 机 漂 移 ， 使 飞 机 偏 离 航 道 ， 危 机 飞 行 安 全 。 飞 机 采 用 改 变 航 向 的 办 法 进 行 修 正 。 驾 驶 员 操 纵 副 翼 和方 向 舵 ， 组 织 飞 机 漂 移 ， 使 飞 机 航 迹 对 准 跑 道 。 超 过 一 定 的 侧 向 风 速 ， 飞 机 进 行 侧 滑 着 陆 不 能 保 证 安 全 。 3、 低 空 风 切 变 对 飞 行 的 影 响l 风 切 变 定 义 ： 风 向 和 风 速 在 特 定 方 向 上 发 生 变 化 飞 机 由 小 顺 风 区 到 大 顺 风 区 域 逆 风 区 到 顺 风 区 某 一 方 向 的 顺 风 区 到 另 一 方 向 的 顺 风 区 较 短 距 离 的 升 降 气 流 变 化 等l 对 正 在 起 飞 和 着 陆 过 程 的 飞 机 的 安 全 性 具 有 严 重影 响 ， 尤 其 是 对 正 在 着 陆 的 的 飞 机 危 害 最 大 。 1.4 气 象 对 飞 行 活 动 的 影 响 云 对 飞 行 的 影 响 1、 影 响 视 线 。 2、 飞 机 穿 过 积 雨 云 可 能 受 到 闪 电 、 冰 雹 的 袭 击 或遇 到 强 烈 风 切 变 。 3、 飞 机 穿 过 零 度 以 下 低 温 云 层 时 ， 在 飞 机 表 面 可能 结 冰 。 1.5 大 气 状 况 对 飞 机 机 体 腐 蚀 的 影 响 大 气 湿 度 ：l 大 气 湿 度 对 金 属 在 大 气中 的 腐 蚀 有 着 重 要 的 影响 。 临 界 湿 度 ： 在 大 气 中 使 金 属 的 腐 蚀 速度 急 剧 增 大 对 应 的 大 气 的 相对 湿 度 。 不 同 金 属 有 不 同 的临 界 相 对 湿 度 。 影 响 临 界 湿 度 的 因 素 ： 机 体 构 件 的 材 料 性 质 ;污染 物 的 性 质 和 数 量 ;金 属 表面 的 粗 糙 、 裂 纹 状 态 等 。 大 气 的 温 度 和 温 差l 温 差 影 响 比 温 度 影 响 大 。 温 差 影 响 水 分 的 凝 聚 ， 影 响 气 膜 的 气 体 和 盐 类 的溶 解 度 。l 一 般 随 温 度 的 升 高 ， 腐 蚀 加 快 。 1.5 大 气 状 况 对 飞 机 机 体 腐 蚀 的 影 响 大 气 的 污 染 物 质l 空 气 中 的 粉 尘 、 颗 粒 对 金 属 的 大 气 腐 蚀 的 影 响主 要 有 三 种 形 式 ： 颗 粒 本 身 具 有 腐 蚀 性 ： 如 铵 盐 颗 粒 ， 溶 于 金 属 表面 水 膜 内 ， 提 高 了 导 电 率 或 酸 度 ， 促 进 了 金 属 的腐 蚀 。 颗 粒 本 身 没 有 腐 蚀 性 ， 但 能 吸 收 空 气 中 的 水 分 ，或 吸 附 腐 蚀 性 物 质 ， 加 速 腐 蚀 。 既 无 腐 蚀 性 又 不 具 有 吸 附 性 ， 但 落 在 金 属 表 面 ，与 金 属 表 面 之 间 形 成 缝 隙 ， 形 成 氧 浓 差 腐 蚀 条 件 ，也 会 加 速 金 属 腐 蚀 。氧 浓 差 腐 蚀 ： 由 于 不 同 部 位 氧 的 浓 度 不 同 ， 而 造 成 不 同 部 位 电 位 的 不 同 ， 造 成 腐 蚀 发 生 . 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