第三次课-大气物理状态对飞行的影响课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,-,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,-,*,第三章 大气物理状态对飞行的影响,飞机的空气动力,大气物理状态对气压高度表和空速表示度的影响,气温和空气密度对平飞需要速度和最大速度的影响,气温、气压对燃料消耗、载重量和升限的影响,气温和空气密度对飞机起飞着陆的影响,-,3.1,飞机的空气动力,P,R,Y,X,G,飞机与空气相对运动时作用在飞机表面的压力差（升力）、切向力（阻力）的合力称为飞机的空气动力。,-,3.1,飞机的空气动力,一、升力和阻力的产生,(,一,),升力,飞机的升力,主要是由,机翼,产生的。机翼之所以能产生升力，是由于空气流过,不对称的机翼,后，使机翼上、下表面出现压力差的缘故。,在低速飞行时，空气可以看为不可压缩的流体。根据不可压流体的伯努利方程，速度大处压力小，速度小处压力大。当气流流过机翼上表面时，因,上表面凸出,的影响，使,流管变细,，,流速加快,，因而,压力降低,。在机翼下表面，因,机翼不对称,和气流受到阻挡作用，使,流管变粗,，,流速减慢,，,压力增大,。这样，机翼上、下表面出现了压力差，形成升力。,-,3.1,飞机的空气动力,P,、,v,P,、,v,气流流过机翼,(,二,),阻力,低速飞行时，飞机的阻力主要有,摩擦阻力,、,压差阻力,和,诱导阻力,。,1,摩擦阻力,摩擦阻力是飞行中，空气沿着飞机表面流过，由于其粘性作用，产生阻止飞机前进的力。,-,3.1,飞机的空气动力,2,压差阻力,气流脱离表面的位置,-,3,、诱导阻力,诱导阻力,是伴随升力的产生而产生的，即由升力,“,诱导,”,而产生的阻力，称为诱导阻力。,飞机的诱导阻力主要来自机翼,。,3.1,飞机的空气动力,当机翼产生升力时，下表面的压力比上表面大，使得下表面的气流绕过翼尖流向上表面，翼尖部分的空气因发生扭转而形成翼尖涡流。翼尖涡流使流过机翼的空气产生下洗速度，而向下倾斜形成下洗流,(,图,3.4),。,-,升力是和相对气流方向垂直的。既然流过机翼的流动方向整个向下倾斜了，机翼升力也随之向后倾斜。这时，实际升力,(,图,3.4,中的,),垂直于飞行速度方向的分力,(,图中的,Y),仍然起着升力的作用，但其平行于飞行速度方向的分力,(,图中的,X,诱导,),则起着阻力的作用。这个附加阻力就是诱导阻力。,3.1,飞机的空气动力,-,3.1,飞机的空气动力,三、影响升力和阻力的因素,从,(3.7),式可知，影响升力和阻力的因素有,飞行速度、机翼面积、空气密度及升力、阻力系数,。,升力系数,主要取决予,迎角,(,相对气流方向与翼弦的夹角,),和,机翼形状,，,阻力系数,主要取决于,迎角、机翼形状和飞机表面质量,(,粗糙度,),。,这些因素，在飞行中经常变化的有,飞行速度、空气密度和迎角,；一般不能改变的有：,机翼形状、机翼面积和飞机表面质量,。,-,3.1,飞机的空气动力,1,、飞行速度,在其它因素不变的情况下，升力和阻力与,飞行速度的平方成正比,。,飞行速度越大,，机翼上表面的气流速度将增大得越多，,压力也降低得越多,。与此同时，机翼下表面的,气流速度将减小得越多,，,压力也提高越多,。于是，,机翼上、下表面的压力差增大,，总空气动力以及其垂直和平行于飞行速度方向的分力,(,即升力和阻力,),随之增大。,-,3.1,飞机的空气动力,2,、空气密度,空气密度大，升力和阻力也大。,因为空气密度增大，则当空气流过机翼速度发生变化时，动压变化也大，作用在机翼上表面的吸力和下表面的正压力都增大。所以，升力和阻力随空气密度的增大而增大。,-,3,、迎角,在一定范围内，增大迎角,(),，升力系数增大，升力也增大，这是因为随着迎角的增大，在机翼的表面前部，流线更为弯曲，流管更为收缩，于是流速加快，压力降低，吸力增大。与此同时，气流受下表面的阻挡作用更强，流速减慢，压力增大。当迎角增大到临界迎角,o),时，升力增至最大。,o,，,增大，升力反而减小。其原因主要是机翼上表面的涡流区扩大，以致在上表面前部流管扩张，吸力降低所致。,3.1,飞机的空气动力,-,3.1,飞机的空气动力,飞机飞行中，,当迎角超过临界迎角,以后，,升力降低，阻力急剧增大,，导致空速迅速减小而不能保持正常飞行，这种现象称为,失速,。飞机失速后，如不及时退出，将严重危及飞行安全。,-,3.1,飞机的空气动力,阻力系数随,的变化见图,2.6,。迎角增大，阻力系数总是增大的，因而阻力也增大。因为迎角增大时，机翼上，下表面的压力差增大。这不仅使升力增大，还使翼尖涡流的作用增强，增大下洗速度导致实际升力更加向后倾斜，使诱导阻力增大。,-,3.2,大气物理状态对气压高度表和空速表示度的影响,一、气压对气压高度表示度的影响,气压高度表是一种主要的,航行驾驶仪表,，飞行员用它来判定飞机的飞行高度。它的工作原理，主要是一个灵敏度很高的空盒气压表，其高度刻度盘是按照标准大气条件下的压高公式来确定的。因此，用气压高度表测得的高度，与,气象条件,有关。,-,3.2,大气物理状态对气压高度表和空速表示度的影响,当飞机穿过,低压,、,高压,等天气系统时，气压高度表的示度即使相同，真高,(,飞机距地面的垂直距离,),也会不同，尤其在高空飞行时更是如此。因此，为了获得准确的飞行高度，需要对仪表示度进行订正，这个订正量决定于,零高度,上的气压对标准气压的偏差及飞行高度以下气温分布对标准温度分布的偏差。,-,3.2,大气物理状态对气压高度表和空速表示度的影响,零值高度气压,订正,是把高度表刻度盘调整到相应位置。起飞前，根据,场面气压,调整高度表上的刻度盘，即把指示高度的指针调到,零位,刻度，刻度盘指针对准场面气压值。这样，在飞行中，高度表示的是相对于起飞机场的高度。,-,航线飞行,中，则要按标准海平面气压调整高度表，此时的零值高度气压取,760,毫米水银柱,(,即,1013.25,百帕,),。这样做的目的是使所有在航线上飞行的飞机，都有相同的,“,零点,”,高度，并按此保持航线规定的仪表高度飞行，以避免飞机在空中相撞。,当,接近降落机场,时，再按降落机场的场面气压重新调整高度，以保障飞机安全着陆。调整的方法与起飞前相同。,3.2,大气物理状态对气压高度表和空速表示度的影响,-,3.2,大气物理状态对气压高度表和空速表示度的影响,二、温度对气压高度表示度的影响,实际大气的温度与标准大气温度不同时，高度表示度因温度变化也会出现偏差。,因为在冷空气中，气压随高度降低较快，在暖空气中，气压随高度降低较慢，所以冷空气中飞行时，高度表示度高于实际飞行高度，暖空气中飞行时，高度表示度低于实际飞行高度。,-,3.2,大气物理状态对气压高度表和空速表示度的影响,气温引起的高度表误差,-,三、空气密度对空速表示度的影响,空速表是飞行中测量空速的仪表，它的感应部分是一个空气压力受感器，,其工作原理,是,测量飞行中空气全压和静压之差,(,即动压,),来表示空速,的。通常，,空速表,是,按海平面标准空气密度,（,0,）来分划仪表刻度的。如果飞行高度上的空气密度,(),不等于,0,时，仪表示度与实际空速就不一致，因而需要进行密度订正。,3.2,大气物理状态对气压高度表和空速表示度的影响,-,3.2,大气物理状态对气压高度表和空速表示度的影响,为了克服空速和表速的偏差，目前在飞机上安装了双指针组合型空速表。这种空速表虽然不能完全清除空速和表速的偏差，但已使这种偏差降低到,10,左右。,-,一、对平飞需要速度的影响,飞机作水平直线飞行称为直线平飞，简称平飞。平飞需要有足够的升力以平衡于飞机的重力。为了产生这一升力所需的飞行速度称为平飞需要速度，以,Vn,表示。平飞时作用在飞机上的重力,(G),与升力保持稳定平衡，即,Y=H,3.3,气温和空气密度对平飞需要速度和最大速度的影响,由上式可见，在其它条件相同的情况下，处于空气,密度随高度减小，平飞需要速度随高度增大,。,当按气压高度表保持固定高度飞行时，,气压不变，,Vn,是随,T,的升高而增加的。,-,3.3,气温和空气密度对平飞需要速度和最大速度的影响,二、对最大速度的影响,1,、概念,飞机在发动机最大功率或最大推力工作时能达到或允许达到的速度称最大速度。飞机的最大速度通常指平飞最大速度和最大允许速度。,2,、涡轮喷气发动机的可用推力及其随高度的变化,给定高度上，在发动机允许工作状态下，可能产生的实际推力称为,可用推力,，用,Pc,表示。由发动机原理知，涡轮喷气发动机的,Pc,可近似地用下式表示：,-,3.3,气温和空气密度对平飞需要速度和最大速度的影响,3,、对平飞最大速度的影响,温度降低，平飞最大速度增大。,在标准大气条件下，,11,千米高度上的,Vm1,比,Vm0,增大,15,。由此再向上，发动机推力和空气密度等同地减小，使飞行速度保持不变。但由于从,11,千米向上飞机以大迎角飞行，,Cx,增大，故,Vm1,是减小的。,超音速飞机的,Vm1,随高度的变化，由于受结构强度和气动增热的影响而受到限制。在未超过此种限度的情况下作超音速飞行时，温度的升高使,Cx,有所增大，以致这时,Vm1,的减小要比亚音速飞行时更大。,-,3.3,气温和空气密度对平飞需要速度和最大速度的影响,3,、对最大允许速度的影响,为保证飞机结构强度不致破坏，安定性、操纵性不致丧失，而规定的飞行员允许使用的最大飞行速度称,最大允许速度,。,最大允许速度与飞行高度有关，通常在中空和低空受飞机结构的强度和刚度的限制，在高空受飞机构安定性和操纵性，即最大允许马赫数的限制。,最大允许马赫数,(Mm),相当于极限速度。对于某一确定的飞机来说，它是常数。因此，飞机的最大允许速度,(,或极限速度,)Vm2,是随大气中的音速变化的，即,-,高空和超高空飞行中，由于对流层部分温度随高度降低，,最大允许速度随高度减小,。平流层中，由于温度随高度升高，最大允许速度随高度增大。如取,Mm=2,，则在某高度上，当气温正偏差,14,时，,Mm,增大,60,千米小时以上。,3.3,气温和空气密度对平飞需要速度和最大速度的影响,-,一、气温、气压对燃料消耗量的影响,1,、几个,概念,（,1,）单位时间内产生单位推力需要的燃料量，称为燃料消耗率。它是评价发动机经济性能的重要指标。,（,2,）飞机飞行,1,小时发动机所消耗的燃料量称为小时燃料消耗量。,（,3,）每飞行,1,千米的距离发动机所消耗的燃料量称为千米燃料消耗量。小时燃料消耗量,Ch,与燃料消耗率,Ce,的关系是：,3.4,气温、气压对燃料消耗、载重量和升限的影响,Pn,为平飞需要推力,-,从相似理论可导出,Ch,与气压、气温的关系：,3.4,气温、气压对燃料消耗、载重量和升限的影响,s,表示标准大气。当按气压高度表在固定高度上飞行时，有,p=ps,2,、气温与燃料消耗量的关系,由上式可以看出：小时燃料消耗量只与气温有关。当气温下降时，小时燃料消耗量减小。由于续航时间取决于 ，因而平飞航时随气温的降低而增长。,-,3.4,气温、气压对燃料消耗、载重量和升限的影响,千米燃料消耗量与小时燃料消耗量之间有简单的关系：,当,M,数相同并按气压高度表保持固定高度飞行时,气温变化，千米燃料消耗量不变，航程为一常数,结论,-,3.4,气温、气压对燃料消耗、载重量和升限的影响,如果飞行高度变化，即使,M,数不变，千米燃料消耗量也会有很大变化。高空飞行时，如果气温明显升高，为了保持飞机的稳定性和操纵性，避免飞机进入临界迎角，常常不得不降低飞行高度。在转入较低高度飞行时，由于气压、气温的升高，千米燃料消耗量可增加,15,以上。,-,3.4,气温、气压对燃料消耗、载重量和升限的影响,为了达到,最大航程,，宜选择在,平飞最大允许高度上飞行,，这时,千米燃料消耗量最小,，,能增大航程,。但应指出，在确定最佳航线飞行剖面时，除了考虑,温压场,外，还应考虑,风和危险天气现象,等。对于风，当然是尽量利用顺风而避免逆风，这对于在海洋上空的飞行航线是可行的，但在陆地上空由于飞行班次多，要受到空中交通管制的限制。此外，当航程较短时，爬高和降低高度占了整个飞行剖面的很大一部分，飞机爬高消耗的燃料很多，以致于超过了由高空飞行所节省的燃料。,-,3.4,气温、气压对燃料消耗、载重量和升限的影响,二、气温对飞机载重量的影响,飞机的载重量受气温变化的影响很大。当气温高于标准大气温度时，空气密度变小，产生的升力也小，因而载重量减小，反之低于标准大气温度时，载重量增加。,-,3.4,气温、气压对燃料消耗、载重量和升限的影响,由于,气温,对,载重量和滑跑距离,影响很大，所以,国际民航组织,建议在起飞前,两小时,，对发动机进气口高度的气温预报要精确到,2,。长距离飞行的飞机，要利用这个预报的温度来计算燃料和货物搭载重量。在,起飞前,30,分钟,用实况值进行最后的校准然后再起飞。,-,3.4,气温、气压对燃料消耗、载重量和升限的影响,三、气温对飞机升限的影响,1,、,概念,（,1,）飞机依靠本身动力上升所能达到的最大飞行高度称为,升限,，分为静升限和动升限。,（,2,）,静升限,指以固定速度进行水平飞行的最大高度,（,3,）,动升限,指由在保证飞机不失去操纵性、安定性条件下，飞机从稍低于静升限的某高度，用最大速度进入跃升所能达到的最大飞行高度。,-,3.4,气温、气压对燃料消耗、载重量和升限的影响,在,升限附近,飞行，因为,燃料消耗量,随高度,减小,，因而,航程增大,。但飞行高度,越高,，迎角,越大,，飞机的,稳定性和操纵性,变坏。正确地确定飞机升限和,了解气象条件对升限的影响,，对于更好地使用飞机的飞行技术数据、提高空运的经济效益、以及保障飞行安全，都是很重要的。,-,3.4,气温、气压对燃料消耗、载重量和升限的影响,2,、气温对升限的影响,推力和空气阻力相互平衡。如果飞机进入高温区，那么推力减小，飞机开始掉高度。,假设气压不变,，飞行员为了恢复飞行状态，必须增大发动机转数。但是，转数并非总是能增加到所需程度的。为此，飞行员不得不降低飞行高度。使推力重新等于空气阻力。,-,3.4,气温、气压对燃料消耗、载重量和升限的影响,假设设气温不变,，则推力与气压成比例地增大。当气温随高度降低而升高时；推力虽然也增大，但要缓慢得多。在某一高度上，推力等于阻力，恢复了平飞状态。为了确定这一新的高度,(,升限,),，根据推力不变的条件，设空速表示度不变。则,-,3.4,气温、气压对燃料消耗、载重量和升限的影响,如果发动机转数不变，有,如果在,9,千米高度上飞行，气压,P1=230,毫米水银柱,(,即,306.64,百帕,),，则新高度上的气压,P2=270,毫米水银柱,(,即,359.97,百帕,),。这相当于高度变化大约,1,千米。简言之，当在接近升限高度上飞行时，气温升高,10,，如飞行速度不变，飞机要掉高约,500,米。这样大的温度变化，在航程超过,2000,3000,千米，特别是南北向飞行时，是不难遇到的。,-,3.4,气温、气压对燃料消耗、载重量和升限的影响,如果飞行高度比升限低得多，当剩余推力足够时，飞行员可以改变发动机转数来保持规定的飞行高度。,由于气温会使飞机升限发生显著变化，故为了保障飞行安全，应根据具体的飞行条件确定飞行的安全高度。此时，首先必须考虑实际气温与标准气温的偏差，因此，在供高空飞行用的天气预报中，必须指明,气温的正偏差,。,-,3.5,气温和空气密度对飞机起飞着陆的影响,气温和空气密度对飞机起飞着陆性能的影响，主要是影响起飞和着陆时,滑跑距离的长短,。无论是从飞行安全或战时需要，都要求飞机的滑跑距离越短越好。,一、对起飞滑跑距离的影响,1,、几个概念,-,3.5,气温和空气密度对飞机起飞着陆的影响,（,1,）起飞滑跑距离：从飞机开始滑跑到飞机开始离地之间的距离,（,2,）离地滑跑速度：飞机离开地面瞬间的地速,(,飞机相对于地面的运动速度,),（,3,）离地速度：飞机离开地面瞬间的空速,(,飞机相对于空气的运动速度,),-,3.5,气温和空气密度对飞机起飞着陆的影响,2,、飞机在起飞滑跑过程中的受力情况,图,2.8,滑跑时作用在飞机上的力,-,3.5,气温和空气密度对飞机起飞着陆的影响,飞机起飞滑跑的运动方程可以写成（牛顿二定律）：,由摩擦定律知，,F=fN,。式中,f,为摩擦系数。由于滑跑时飞机是作水平直线运动，所以各力在垂直方向上投影之和为零。,-,3.5,气温和空气密度对飞机起飞着陆的影响,（,CXfCY,）,=0,-,3.5,气温和空气密度对飞机起飞着陆的影响,在无风条件下,W0=V0,飞机在离地的瞬间，升力等于重力,P=G,-,3.5,气温和空气密度对飞机起飞着陆的影响,3,、讨论,（,1,）在其他因素不变时，空气密度减小，离地速度和滑跑距离增大。因为空气密度减小，要获得同样的升力必须增大空速；,（,2,）空气密度减小，使发动机的功率减小，飞机增速减慢，因而使起飞滑跑距离增长。这也就是高原机场跑道比一般跑道长的原因。,（,3,）当气压不变时，密度随气温升高而减小。所以。随着气温的升高，起飞滑跑距离也将增长。,-,3.5,气温和空气密度对飞机起飞着陆的影响,二、对着陆滑跑距离的影响,1,、概念,（,1,）着陆滑跑距离是指从飞机接地到滑跑停止所经过的距离。,着陆滑跑实际是起飞滑跑的相反过程。所不同的是，飞机起飞时的运动，决定于发动机的推力、空气阻力和摩擦力；着陆滑跑时，只有空气阻力和摩擦力，发动机推力基本上为零。,-,3.5,气温和空气密度对飞机起飞着陆的影响,2,、对着陆滑跑距离的影响,升力与阻力之比，简称升阻比,3,、讨论,（,1,）空气密度减小时，接地速度和着陆滑跑距离增大。,因为飞机接地时，升力接近于重力，当空气密度小时，所需的空速大，接地速度则大。另一方面，空气密度小，空气阻力也小，所以滑跑距离增长。,（,2,）当气压不变时，气温升高，着陆滑跑距离增长。,-,思考题,-,解放军理工大学气象学院,2008.10.,谢谢大家！,-,