大气特性
大气压力
地球表面有一层厚厚的大气层,由于地球引力的作用,大气被“吸”向地球,虽然空气很轻,但仍有重量,有了重量就产生了力量,它作用于物体的效果就是压力。著名的马德保半球实验就证明了大气压的存在。可以说,大气压力是地球引力作用的结果。
一、大气压力的度量
大气压力通常以水银气压计的英寸汞柱(in.Hg)来度量。水银气压计通过测量玻璃管内水银柱的高度来度量大气压。一部分水银暴露在大气压下,大气对水银施加一个力。压力增加迫使管子里的水银上升;压力下降时,水银柱的高度降低。此类气压计通常在实验室或者天气观测站使用,其缺点是不易运输,读数困难。
另一种是无液气压计。无液气压计有一个密封的容器,称为真空膜盒,它可以随着起亚的变化缩短或伸长。真空膜盒用机械师铰链链接到压力指示器来提供压力读数。一架飞机的高度计的压力传感部分本质上就是一个无液气压计。需要注意的是,虽然无液气压计易于运输和读数,但因为它使用了机械式铰链,所以不如水银气压计准确。
实际大气状态是不断变化着的,而飞机的性能和某些仪表(高度表、空速表等)的示度,都与大气状态有关。为了便于比较飞机性能和设计仪表,必须以一定的大气状态为标准。
目前由国际民航组织统一采用的标准海平面大气压力定义为29.92in.Hg(气压1013.25hPa),海平面温度为59℉(15℃),海平面空气标准密度为1.2250kg/m³。
大气测量的基本单位为帕斯卡(Pa),除此还有百帕(hPa)、毫巴(mbar)。其换算关系是:1mbar=1hPa=100Pa。因此标准海平面大气压力也为1013.2mbar。典型的毫巴压力读数范围从950至1040mbar。恒定压力图表和飓风压力报告是使用毫巴来表示的。
国家标准与我国45°N地区的大气十分接近,低纬度则有较大偏差。国家标准GB1920-80标准大气规定,取其30km一下部分作为国家标准,其特性规定如下:
(1)干洁大气,且成分不随高度改变,平均分子量为28.9644。
(2)具有理想气体性质。
(3)标准海平面重力加速度g=9.80665m/s²。
(4)海平面绝度温度T=288.150K=15℃,海平面空气密度ρ=1.2250kg/m³;海平面气压P0=1013.25hPa=750mmHg=1个大气压
(5)在海拔11000m一下,气温直减率为0.65℃/100m;在11000~20000m,气温不变,为-56.5℃;在20000~30000m,气温直减率为-0.1℃/100m。
二、海拔高度对大气压力的影响
在大气处于静止状态时,某一高度上的气压值等于其单位水平面积上所能承受的上部大气柱的重量。随着高度增加,其上部大气柱越来越短,且气柱中空气密度越来越小,气柱重量也越来越小。随着海拔升高,空气变得稀薄,大气压力也随着降低,一般来说,高度没增加1000ft,大气压力就会降低1in水银柱高度。分布于全球的气象站,为了提供一个记录和报告的标准,都会按照海拔高度每增加1000ft就近似增加1in水银柱的规则将当地大气压转化为一个海平面压力。例如,一个位于海拔5000ft的气象站,其水银柱读数为24.92in,那么报告的海平面压力读数就是29.92in。使用公共的海平面压力读数可以帮助确保基于当前压力读数的飞机高度计的设定是准确的。
大气压力的降低对飞机性能有显著的影响。在较高的高度,伴随着降低的大气压力,起飞和着陆距离增加,爬升率也会减小。
当一架飞机起飞是,升力必须 通过机翼周围的空气流动才能产生。如果空气稀薄,就需要更大的速度来获得足够的起飞升力,因此,地面滑跑距离就会更长。一架飞机在海平面需要1000ft的滑跑距离,在海平面5000ft以上高度的机场将需要差不多两倍的滑跑距离。
三、空气密度差异的影响
气温、气压和空气湿度的变化都会对飞机性能和仪表指示造成一定的影响,这种影响主要通过它们对空气密度的影响而实现。空气密度与气压成正比,与气温成反比。对局部空气而言,气温变化幅度比气压变化幅度要大得多,因此空气密度变化主要由气温变化引起。
实际大气中通常含有水汽,由于水的分子量(18)比空气平均分子量(约为29)要小很多,因此水汽含量不同的空气,密度也不一样,水汽含量越大,空气密度越小。暖湿空气的密度要比干冷空气的密度小得多。
实际大气中通常含有水汽,由于水的分子量(18)比空气平均分子量(约为29)要小很多,因此水汽含量不同的空气,密度也不一样,水汽含量越大,空气密度越小。暖湿空气的密度要比干冷空气的密度小得多。
飞机的飞行性能主要受大气密度的影响。如当实际大气密度大于标准大气密度时,一方面空气作用于飞机上的力要加大,另一方面发动机功率增大,推力增大。这两方面作用的结果就会使飞机飞行性能变好,即最大平飞速度、最大爬升率和起飞载重量会增大,而飞机起飞、着陆滑跑距离会缩短。当实际大气密度小于标准大气密度时,情况相反。
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