Глава 2

ГИПОТЕЗЫ И ЗАКОНЫ АЭРОДИНАМИКИ. КЛАССИФИКАЦИЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

2.1. Строение атмосферы

Атмосфера является средой полета различных летательных аппаратов. Она имеет сложное строение, однако условно ее делят на слои с указанием их особенностей. Наиболее характерными и интересными для авиастроителей имеют слои тропосфера, стратосфера, ионосфера и экзосфера [12 – 15, 19 – 20].

Тропосфера – часть атмосферы, граничащая с Землей (H= 10 – 17 км), где заметно тепловое излучение земной поверхности, где температура заметно уменьшается с удалением от Земли. В тропосфере образуются облака, дуют ветры, тут находится вся испаренная влага, меняется влажность, температура, направление ветра.

На верхней границе тропосферы температура остается постоянной. Далее по высоте располагается стратосфера. В стратосфере температура почти постоянна (~ до 30 км). Ветры там имеют постоянные направления и направлены против вращения Земли (происходит расслоение нижних и верхних слоев воздуха вследствие малого сцепления частиц воздуха).

Ионосфера характеризуется наличием свободных ионов и электронов и непрерывным повышением температуры. Границы ионосферы непостоянны (H≈ до 200 км).

Экзосфера не имеет вообще границ. Это переходная зона от земной атмосферы к межпланетному пространству (H= от ~ 500 до 1000 км). Известно что:

50 % массы атмосферы расположено на высотах 0 – 5,5 км;

75 % массы атмосферы расположено на высотах 0 – 10 км;

94 % массы атмосферы расположено на высотах 0 – 20 км над уровнем моря.

Масса атмосферы составляет 1/1000000 массы Земли.

Свойства земной атмосферы и происходящие в ней явления изучает наука, называемая метеорологией. Свойства атмосферы используются нами для измерения высоты и скорости полета. От них зависят условия работы пилотов самолетов, тяга двигателя, подъемная сила самолета. Для устранения усложнений в полете (а то и катастроф) необходимо изучение аномальных явлений в атмосфере.

К аномальным явлениям относятся грозы, горизонтальные и вертикальные порывы ветра, турбулентные движения воздуха. Струйные течения воздуха могут быть со скоростью от 100 до 700 км/ч.

Воздух атмосферы является смесью газов: 78 % азота (N₂), 21 % кислорода (O₂), 0,94 % аргона (A₂), 0,03 углекислого газа (CO₂), 0,01 % водорода (H₂) 0,01 % неона (Ne₂) 0,01 % гелия (He₂), 1,2 % пара. На высотах 30 – 50 км имеется озон (O₃). Максимальное его количество находится на высоте ~ 35 км и составляет 0,00075 %, тогда как у Земли его только 0,00001 %. Фактически воздух состоит из отдельных молекул газов и не является сплошной средой (особенно на больших высотах).

Для практических целей авиационные науки нуждаются в установлении закона изменения с высотой основных параметров: как плотность, давление, температура воздуха, скорость звука, вязкость. Но эти параметры зависят еще и от времени года и суток, от случайных явлений в природе. При испытаниях приборов, систем и самолетов требуется проводить сравнение результатов в одинаковых условиях. Так возникла необходимость создания условной стандартной атмосферы (СА), являющейся схемой действительной атмосферы, в которой отсутствуют колебания, вызванные метеорологическими или астрономическими факторами.

На параметры стандартной атмосферы действуют государственные стандарты: ГОСТ 4401-81 (Атмосфера стандартная. Параметры), ГОСТ 3295-73 (Таблицы гипсометрические для геопотенциальных высот до 50000 м. Параметры), ГОСТ 5212-74 (Таблица аэродинамическая. Динамические давления и температуры торможения воздуха для скорости полета от 10 до 4000 км/ч. Параметры) и др. [31 – 33]. В отличие от стандартной атмосферы существуют атмосферы справочные, учитывающие широту местности и время года.

В стандартной атмосфере принимаются стандартными исходные параметры: ускорение свободного падения g_с = 9,80665 м/с²; скорость звукаa_с= 340,294 м/с; средняя длина свободного пробега частиц воздухаl_с= 66,328∙10^-9м; давлениеP_с= 101325,0 Па (760 мм рт. ст.), температура КельвинаT_с= 288,15 К; кинематическая вязкостьν_с= 14,607∙10^-6м²/с; динамическая вязкостьμ_с= 17,894∙10^-6Па∙с; плотность весоваяγ_с= 1,2250 кг/м³; плотность массовая

.

Закон изменения температуры воздуха на высотах от нуля до 11000 метров над уровнем моря следующий:

, (2.1)

где T_н– абсолютная температура воздуха на высотеН;а– температурный градиент, равный 0,0065 °С/м;Н– высота над уровнем моря;Т₀= 288 °К. ДляН > 11000 мT_н= 216,5 °К =const. Изменение барометрического давления для высотН <11000 м:

, (2.2)

где P_н– давление на высотеН;P_о= 760 мм рт. ст.;ν_о– весовая плотность (1,2255 кг/м³);а – температурный градиент (0,0065 °С/м).

Важнейшей характеристикой воздуха является его влажность. Относительная влажность может быть определена по формуле

, (2.3)

где R– относительная влажность;q– абсолютная влажность – количество пара в граммах, содержащееся в 1 м³;Q– количество насыщающих паров при данной температуре в г/м³.

Предел насыщения воздуха водяными парами в зависимости от температуры приведен в таблице 2.1.

Таблица 2.1

t, °С	-30	-20	-10	0	+10	+20	+30
Q, г/м3	0,5	1,0	2,5	5,0	9,5	17,0	30,1

Важно обратить внимание на то, что при понижении температуры воздуха наступает перенасыщение, пар превращается в капли воды [13]. Самолетостроители и разработчики приборов и систем должны это учитывать в своей практике. В связи с этим явлением внутри самолета накапливается большое количество воды, которая пагубно влияет на работоспособность техники.