1. Строение атмосферы. Тропосфера. Стратосфера. Ионосфера
 Скачать 91.35 Kb.
|
|
1.Строение атмосферы. Тропосфера. Стратосфера. Ионосфера Атмосфера-это газовая или воздушная оболочка, окружающая нашу планету. Атмосфера представляет собой смесь газов, в ней находятся различные примеси конденсационного (продукты конденсации водяного пара, частицы, из которых состоят туманы, облака, осадки) и неконденсационного (твердые частицы: пыль, дым, гарь, споры растений и т.д.) происхождения. Состав атмосферы: азот(78,8%), кислород(20,95%), аргон(0,93%). Кроме того в атмосфере имеются водяной пар и углекислый газ, которые сильно влияют на температурный режим атмосферы. Тропосфера – ближайший к земной поверхности слой. Он простирается до высоты 8..10 км в полярных областях, до 10…12 км в умеренных широтах и до 16..18 км в тропиках. В тропосфере выделяется пограничный слой (слой трения), располагающийся на высоте до 100 м от з.п. В тропосфере температура с высотой понижается, составляет в среднем о,65 на каждые 100 м. Понижение связано с тем, что воздух в тропосфере нагревается и охлаждается от земной поверхности. Здесь наблюдаются облака, туманы, развиваются грозы, смерчи, ураганы. Ветер с высотой усиливается, его скорость достигает максимальных значений на высоте 8..10 км (в умеренных широтах), составляя иногда 100 км/ч и более (струйные течения). Преобладает западное направление ветра. Образуются различные воздушные массы, формируются атмосферные фронты, развиваются циклоны и антициклоны. Самая запыленная часть атмосферы Стратосфера располагается от тропопаузы (находится между тропосферой и стратосферой) до высоты около 50 км. Температура воздуха практически постоянна, выше температура увеличивается вследствие поглощения ультрафиолетовой частицы солнечного спектра атмосфернм озоном. Облаков практически нет, лишь перламутровые облака на высотах 20…30 км, где температура воздуха -55…-100. Можно наблюдать лишь в сумерках, после захода Солнца или перед восходом. Наблюдается в основном над Аляской т Скандинавией. Скорость западного ветра убывает с высотой, достигая минимального значения на высоте 18…21 км, после скорость начинает вновь возрастать меняя направления на восточное. Восточное направление отделяется от расположенных ниже западных слоев со слабым неустойчивыми ветрами. Этот переходный слой называется велопаузой. Иногда наблюдается резкие стратосферные потепления. Область атмосферы с заряженными частицами называется ионосферой. Концентрация ионов и электронов непостоянна. Максимум концентрации приходится на высоте70…80 км 2.Стандартная атмосфера (СА). Задачи решаемы с помощью СА Стандартная атмосфера- это условная постоянная атмосфера, независимая от широты места , времени года и синоптических условий . Для нее используются многолетние метеорологические наблюдения , основанные на результатах измерений с помощью радиозондирования и метеорологических ракет. На летно-технические данные ВС влияет состояние атмосферы. Чтобы сравнить летно-технические данные разных самолетов и вертолетов, их приводят к одинаковым атмосферным условиям. В этих целях используется стандартная атмосфера. 3. Способы определения высоты полета Эшелон полета – это выделяемая для полётов относительная барометрическая высота, отсчитываемая от изобарической поверхности с давлением 760 мм.рт.ст (1013,2 гПа). Высота полета высчитывается с помощью барометрического высотомера, нуль высоты которого устанавливается на высоте 760 мм.рт.ст. Полет на эшелоне – это полет по одной и той же изобарической поверхности. Истинная высота полета (высота над рельефом местности), а так же абсолютная высота полета (над уровнем моря) могут существенно отличаться от барометрической высоты при полете на эшелоне. Это связанно с тем, что над разными районами уровень давления расположен по-разному - выше и ниже уровня моря и изобарические поверхности не параллельны уровню моря. 4. Потолок самолета и его изменение в реальной атмосфере Потолок самолетов зависит от атмосферных условий. При полетах на высотах, близких к потолку, ухудшается устойчивость и управляемость самолетов. Здесь полеты выполняются с большим, чем обычно, углом атаки. Если самолет попадает в область сильных восходящих движений воздуха и положительных отклонений температуры от стандартной, то он может оказаться на закритических углах атаки. При такой ситуации не исключена возможность потери устойчивости, срыва воздушного потока и остановки двигателя. Поэтому правильное определение потолка самолета необходимо для обеспечения безопасности полета. Для обеспечения безопасности полета устанавливается предельно допустимая высота полета  . Она на 1…2 км меньше практического потолка. Предельно допустимая высота аналогично другим летно-техническим характеристикам, относится к стандартным условиям. Изменение потолка можно рассчитать:  ∆t, где к – эмпирический коэффициент, показывающий на сколько метров изменится потолок самолета если температура воздуха изменится на 1; -фактическая и стандартная температура воздуха. Для практического учета изменения потолка и предельных высот полета необходима информация о фактическом состояние атмосферы. Ее получает на основание данных радиозондирования атмосферы. 5.Давление воздуха. Его изменение с высотой Давление атмосферного воздуха представляет собой силу, с которой давит на единичную площадку. Давление воздуха быстро убывает с высотой: на высоте 5,5 км оно в среднем равно половине приземного давления, на высоте 50 м оно равно одной тысячной, на высоте 100 км – трем миллионным долям давления у з.п. Измеряется в гПа, он численно равен миллибару. Давление измеряется с помощью барометров: ртутные и металлические. Приборы, с помощью которых давление записывается непрерывно – барографами: суточные и недельные. Для характеристики атмосферного давления по высоте и по горизонтали используют барический градиент- это интенсивность изменения атмосферного давления на единицу расстояния. 6. Формы рельефа барического поля (классификация барических систем) 1.Циклон- область повышенного давления, ограниченная замкнутыми изобарами, с наименьшим давлением в центре 2. Антициклон – область повышенного давления, ограниченная замкнутыми изобарами, с наибольшим давлением в центре. 3. Барическая ложбина – область изобар, вытянутых от центра циклона к его периферии. Вдоль ложбины можно провеси линию наименьшего давления, которая называется осью ложбины 4. Барический гребень – область изобар, вытянутых от центра антициклона к его периферии. Вдоль гребня можно провести линию наибольшего давления, называемую осью гребня 5. Седловина – барическое поле, заключенное между двумя циклонами и двумя антициклонами, расположенных крест-накрест. Барическое поле, барические системы выражены не только на уровне моря, но и на высотах. Изобарические поверхности над циклонами вогнуты, над антициклонами имеют выпуклость. Центры барических систем земли и на высотах обычно не совпадают. 7. Барометрическая формула Лапласа  , где Н – толщина слоя, м;  - средняя температура слоя;  -давление на верхней и нижней границах слоя атмосферы;  -коэффициент равный 0.004. по барометрической формуле Лапласа определяют: превышение одного пункта над другим по данным измерения давления температуры в этих пунктах (метод барического нивелирования); давление на заданной высоте, если известно давление на нижележащем уровне и средняя температура слоя; давление, приведенное к уровню моря и ВПП. Для тарировки барометрических высотомеров в термобарокамерах используется формула Лапласа.8.Барическая ступень и ее изменение с высотой. Барическая ступень – это такая высота, на которую нужно подняться или опуститься, чтобы давление изменилось на 1 гПа или 1 мм.рт.ст. h=  . В теплом воздухе барическая ступень больше, чем в холодном, с высотой она возрастает. Чем меньше барическая ступень, тем быстрее падает давление с высотой. Вблизи з.п. при нормальном давление и температуре 15 барическая ступень равна 8,2 м/гПа. Барическая ступень в приземном слое используется пилотами для расчета безопасной высоты полета в равнинной и холмистой местности. 9.Температура воздуха и ее пространственно-временные характеристики Температура воздуха – это величина, характеризующая ее тепловое состояние. Измеряется в градусах Цельсия по стоградусной шкале и ли в Кельвинах. Температура воздуха изменяется в широких пределах , в зависимости от времени суток, сезона года, синоптической обстановки и широты места наблюдения. Ее максимальное значение (при отсутствии облаков) наблюдается около 15 ч, минимальное – в середине ночи. В зависимости от характера подстилающей поверхности ее колебания различны. Над морями и океанами суточный ход температуры значительно меньше, чем над континентами. На экваториальных широтах хол\д температуры больше, чем на других широтах. С высотой амплитуда температуры воздуха уменьшается. 10. Плотность воздуха, ее изменение с высотой Плотность воздуха – это масса воздуха, заключенного в единице объема (г/см3). Является одной из важных характеристик атмосферы, влияющих на полеты ВС. Рассчитывают по сравнению состояния при известных давлении и температуре:  , где  -плотость, р-давление.  -удельная газовая постоянная сухого воздуха; Т-абсолютная температура. Чем выше температура, тем меньше плотность воздуха. В случае постоянного давления плотность воздуха зависит от изменения температуры. С увеличением высоты полета давление уменьшается и температура понижается. Давление уменьшается быстрее, чем температура. Понижение температуры несколько замедляет уменьшение плотности. Плотность воздуха с высотой падает медленнее, чем давление. 11. Влажность воздуха, ее характеристики Упругость водяного пара е – это парциальное давление водяного пара, измеренное в единицах давления (в гектопаскалях гПа). При данной температуре упругость водяного пара не может превышать некоторого предельного значения, называемого упругостью насыщения Е. Упругость насыщения – это максимально возможная упругость при данной температуре. Точка росы (td или  ) – температура, при которой воздух достигает состояния насыщения при данном содержании водяного пара и неизменном давлении. Для ненасыщенного воздуха td < t. Дефицит точки росы  – разность между температурой воздуха и точкой росы: = t – td ,°C (1) Абсолютная влажность а – масса водяного пара в граммах в одном кубическом метре воздуха: где е – упругость водяного пара, гПа;  = 0,004 – термический коэффициент объемного расширения воздуха; t – температура воздуха в °С. Удельная влажность q – количество водяного пара в граммах в одном килограмме влажного воздуха:  где Р – давление воздуха, гПа; е – упругость водяного пара, гПа. Относительная влажность f – процентное отношение фактической упругости водяного пара, содержащегося в воздухе, е , к упругости насыщения в условиях одинаковой температуры:  где е – упругость водяного пара, гПа; Е – упругость насыщения, гПа. Дефицит насышения d – разность между максимально возможной упругостью водяного пара при данной температуре воздуха (упругость насыщения) Е и фактической упругостью находящегося в воздухе водяного пара е : d = Е – е, гПа . Плотность влажного воздуха не равно плотности сухого воздуха. Влажный воздух легче, чем сухой. Чем выше температура и влажность воздуха, тем больше различие в значение плотноси. 12. Влияние характеристик физического состояние атмосферы на взлет и посадку Взлет самолета возможен лишь при определенном преобладание подъемной силы над силой тяжести. Равновесие подъёмной силы и силы тяжести наступает уже при минимальной скорости отрыва самолёта при взлете. Но взлет при такой скорости опасен, т.к. может наступить потеря устойчивости и управляемости. Для обеспечения безопасности скорость отрыва самолета устанавливается больше минимальной.  . При повышение температуры воздуха увеличивается скорость отрыва самолета, а рост атмосферного давления – к уменьшению. Изменение скорости отрыва влечет за собой изменение длины разбега и взлетной дистанции.  . Данное выражение показывает, что изменение плотности воздуха на аэродроме сказывается на дине разбега. Посадка самолетов также связана с влиянием на нее атмосферных условий. Температура и давление воздуха сказываются на посадочной скорости, длине пробега и посадочной дистанции самолета.  . Чем выше температура воздуха и меньше атмосферное давление, тем больше посадочная скорость. Изменение длины пробега по сравнению со стандартной выражается:  13. Влияние физических характеристик состояние атмосферы на полет При движение ВС в атмосфере возникает аэродинамическая сила. Полная аэродинамическая сила R, действующая на ВС, представляет собой результирующую всех местных сил давления и трения. Аэродинамическая сила прямо пропорциональна плотности воздуха, чем больше плотность воздуха, тем при прочих равных условиях больше подъемная аэродинамическая сила. Установившиеся горизонтальное движение самолета характеризуется тем, что силы и моменты, действующие на самолет, должны уравновешиваться. В горизонтальном полете на самолет действует лобовое сопротивление Х, подъемная сила У, тяга Р и сила тяжести G. Скоростной напор – представляет собой кинетическую энергию единицы объема воздуха. Чем больше плотность воздуха, тем больше масса единицы объема воздуха, больше создаваемая его кинетическая энергия, больше скоростной напор. Лобовое сопротивление и подъемная сила прямо пропорциональны плотности воздуха. Y=G.  . Потребная воздушная скорость горизонтального установившегося полета обратно пропорционально корню квадратному из плотности воздуха. Т.к. плотность воздуха с высотой уменьшается, потребная скорость при прочих условиях возрастает. При полете на постоянной высоте скорость изменяется в зависимости от распределения температуры и давления на уровне полета.  . Из данного выражения видно, что чем выше температура воздуха и ниже атмосферное давление, тем больше должна быть потребная воздушная скорость горизонтального полета. 14.Влияние физических характеристик атмосферы на силу тяги двигателей и расход топлива Атмосферное условие существенно влияет на тягу двигателей. Прежде всего они сказываются на располагаемой тяге. Располагаемая тяга турбореактивного двигателя (ТРД) – наибольшая тяга, которую может развивать двигатель на данной высоте при допустимом режиме работы. Повышение температуры приводит к ухудшению показателей ТРД. Уменьшение температуры воздуха приводит к уменьшению скорости истечения струи газов из двигателя. Поэтому тяга двигателя уменьшается. Приближенно располагаемая тяга двигателя:  . Если частота вращения вала двигателя во время полета остается неизменной, то изменение с высотой тяги ТРД выражается:  . Ввиду того что относительная плотность  с высотой убывает, а сомножитель  растет, но медленно по сравнению с убылью, тяга ТРД с высотой уменьшается. В нижней части стратосферы (с 11 км) по стандартной атмосфере температура остается постоянной, поэтому тяга в данных условиях уменьшается с высотой интенсивнее, чем в тропосфере. В реальной атмосфере тяга с высотой изменяется в зависимости от характера распределения температуры. Когда температура с высотой палает медленно и, следовательно, быстро уменьшается плотность воздуха, тяга уменьшается быстрее по сравнению с распределением температуры обратного характера. Существенные колебания тяги возможны при пересечении тропопаузы и атмосферных франтов, на которых резко изменяется температура воздуха. 15. Движение воздуха в свободной атмосфере. Геострофический ветер Атмосфер представляет собой чрезвычайно подвижную среду. В ней постоянно происходят перемещения в горизонтальном и вертикальном направление по отношению к з.п. разных по масштабу объёма воздуха с различной скоростью. Наибольшее разнообразие движений воздуха наблюдается тропосфере, особенно в приземное слое. Передвижение воздушных масс в атмосфере играют большую роль в погодообразующих процессах. Благодаря им происходит перенос очагов тепла и холода, водяного пара, формирование облачности, сложных и опасных для авиации погодных условий. Горизонтальное движение воздушных масс относительно з.п. представляет собой ветер. В свободной атмосфере в однородных воздушных массах движение частиц воздуха происходит в результате совместного действия трех сил: барического градиента, Кориолиса и центробежной. Под влиянием горизонтальной составляющей градиента давления частичка воздуха начинает двигаться ускоренно перпендикулярно изобарам в сторону низкого давления. Одновременно с возникновением скорости начинает действовать сила Кориолиса, отклоняющая вектор ветра от первоначального направления в северном полушарии вправо. Изменение скорости и направление ветра будет происходить до тех пор, пока не наступит равновесие действующих в атмосфере сил. Тогда частица воздуха начинает двигаться вдоль изобар таким образом, что низкое давление всегда будет оставаться слева от направления движения, высокой-справа. Такое установившееся движение воздуха при отсутствии сил трения называется градиентным ветром. Градиентный ветер при прямолинейных изобарах принято называть геострофическим ветром, при криволинейных – геоциклострофическим |