Международная стандартная атмосфера (МСА)

Плотность воздуха.

Плотность ρ характеризует массу воздуха, содержащегося в единицу объема

ρ=m/W

ц-ето объем занимаемый воздухом.

Относительная плотность воздуха.

D = rн/r0, где rн и r0 – плотности на заданных высотах.

Температура.

Температура характеризует состояния теплового равновесия системы и является мерой кинетической энергии молекул.

Температура является мерой кинетической энергии молекул. Абсолютная температура Т и связана она с t – Т = 273 + t.

 

Сжимаемость и упругость воздуха.

Сжимаемость характеризует свойство воздуха изменять свой объём и плотность при изменении температуры и давления.

Упругость свойство воздуха возвращаться в исходное состояние после прекращения действия сил, вызывавших его деформацию. Для воздуха такой деформацией может быть только деформация его объёма при всесторонним сжатии.

Свойство сжимаемости и упругости воздуха проявляются в том, что всякое возмущение в нём, т.е. местное сжатие распр. в виде очень малых возмущений – колебаний давления и плотности. Эти колебания происходят со звуковыми частотами и распр. в виде волн со скоростью звука.

Вязкость и динамическая вязкость воздуха.

Вязкость (внутреннее трение) - характеризует св-ва воздуха оказывать сопротивление относительно перемещению своих частиц а также перемещение воздухе твердого тела. Причина вязкости - взаимодействие молекул при их хаотическом движении

 

Вязкость проявляется в том, что при сдвиге соседних слоев воздуха возникает сила F (сила трения), противодействующая сдвигу. Она определяется уравнением F=μ(dv/dy)*S

мю-коэффицент пропорциональности называемый динамической вязкостью, и измеряется в Н с/м²

дв/ду - градиент изменения скорости слоя в направлении перпендикулярном скорости движения воздуха, 1/с.

S - площадь слоя для которого рассчитывается сила трения м²

 

Представим себе две пластины, между которыми находится слой вязкого воздуха. Если одна из пластин начинае двигаться со скорость v₀ то этой же скоростью будет обладать и слой воздуха, непосредственно прилегающий к пластине. Каждый следующий слой в результате вязскости(трения между слоями) приобретает меньшую скорость. Слой, прилегающий к неподвижной пластинке, остается неподвижным. В этом случае сила F, которую необходимо приложить к пластинке, чтобы заставить её двигаться со скоростью v₀ определяется как F, равное

F=μ₀(v₀/l)S

 

Международная стандартная атмосфера (МСА).

Необходимость сравнения испытаний ЛА, Проводимых в различных условиях привела к созданию математической модели условной атмосферы. В соответствии с этой моделью по высоте атмосфера делится на несколько слоев, в пределах которых температура измеряется по определенным закономерностям, довольно близко совпадающим с законом изменения по высоте среднегодовых значений температуры на средних широтах и в летнее время(см. рис4). Эти слои называются: тропосфера(изменение, поворот), стратосфера(слой), мезосфера(средний или промежуточный), термосфера(теплота, жар), экосфера(вне или наружу).

 

Сравнительно тонкие слои атмосферы, толщина которых, измеряется десятками и сотнями метров, отделяющие друг от друга основные слои атмосферы называется соответственно: тропопаузой, стратопаузой, мезопаузой.

 

Единая для всех государств международная стандартная атмосфера - это условная атмосфера(модель), в которой распределение давления по высоте в поле силы тяжести получается из дифф. уравнения гидростатики

dp=-ρgdh при определнных предположениях о распределении температуры по вертикали. В этом уравнение dp - дифф. давления, ρ плотность воздуха, g - ускорение свободного падения, dh - дифф. высоты.

Так как воздух сжимаем, его плотность зависит от его давления и температуры, в соответствии с уравнением Менделеева-Клаперона.

ρ=p/RT

С учетом приведенной зависимости, дифф. уравнение гидростатики можно проинтегрировать, если известен характер изменения температуры с изменением высоты.

 

В МСА как видно из рисунка 4 принята кусочно-линейная максимация изменения температуры, то есть в пределах каждого фрагмента, градиент изменения температуры, с высотой предполагается постоянным. При этом условии результат интегрирования дифф. уравнения гидростатики получается в виде формулы:

 

p=p*[1+α/T(h-h*)^(g/αR)

где h* - начинается рассма слой

T* и p* - температуры и давление на етой высоте

α - градиаент изменения температуры с изменением высоты со своим знаком(минус, если температуры с увеличением высоты убывает, и плюс - если возрастает)

 

Для случая α=0, т.е. градиаент = 0, когда температура с изменением высоты не изменяется. Интегрирование уравнения гидростатики дает другу зависимость

 

p=p*e^-g/RT*(h-h*)

 

В МСА за начало отсчета высоты принят уровень мирового океана при следующих нормальных условиях: ускорение свободного полета g₀=9,807м/с², р₀=101325Па(760 мм.рт.ст.), T₀=288б15К(t=15С) ρ₀=1,225кг/м³, ск.звука а₀=340м/с.

Параметры МСА(изменение температуры и давления воздуха), для малых высот, на которых летают вертолеты и самолеты, приведены на рис5. Здесь же приведены данные о распределении среднегодовых значений температуры. t(н)_мах, t(н)_мин. Все расчеты проводятся при проектировании летательных аппаратов для условий МСА, что позволяет сравнить результаты расчетов и летных испытаний нескольких ЛА проводимых в различных условиях и различных климатических пояс. Затем результаты испытаний пересчитываются на параметры МСА, таким образом все ЛА помещаются в одинаковые условия - условия МСА.

 

8.Влияние ветра на полёт и конструкцию самолёта.

Действительное распределение давления в атмосфере Земли, отличается от предполагаемого распределения предпринятого в неподвижной атмосфере описываемой МСА. Различие давлений в отдельных точках атмосферы вызывают движение воздуха - ветер. Движение воздуха в атмосфере поддерживается неравномерным её нагревом солнечным излучением. Оно имеет случайный характер. В тропосфере происходит очень интенсивное вертикальное перемешивание воздуха. Вертикальные скорости достигают до 15 метров в секунду в облаках и до 50м/с в грозовом фронте. На высотах 8-10км, где обычно пролегают траектории полетов пассажирских самолетов, возникает струйное течение со скоростями от 10 до 30 м/с, а это составляет ураганный ветер. Таким образом полет проходит турбулентной(от лат. turbulentus - бурный, беспокойный), неспокойной атмосфере.

 

В стратосфере также происходит интенсивная циркуляция( круговращение) воздуха с резкими ветрами, образуются горизонтальные струйные течения, со скоростями от 50 до 150 м/с и шириной 100км.

Болтанка.

Полет в турбулентной атмосфере обуславливает колебательный характер траектории самолета - линии описываемые в пространстве центром масс самолета,(центр масс ето точка приложения равнодействующей гравитационных сил), Колебания центра масс самолета и угловые колебания самолета относительно центра масс - болтанку. При попадании самолета, из нисходящего потока в высходящий, где вертикальная скорость воздуха превышает 20-30 м/с, возможен резкий занос самолета вверх, причем этот занос может составлять от 1 до 2 км. Это приводит к резкому увеличению нагрузок, действующих на конструкцию самолет. В исключительных случаях самолет может разрушиться.

 

Болтанка вызывает в конструкции самолета постоянно действующие знакопеременные нагрузки. При полете самолета в болтанку, отдельные эл-ты конструкции растягиваются, сжимаются, изгибаются. В результате материал конструкции «устает», в элементах конструкции возникают микротрещины, которые растут от полета к полету и в конечном итоге могут привести, к так называемому усталостному разрушению конструкции. Полет в болтанку утомляет пассажиров и экипаж, болтанка мешает точно пилотировать самолет, возникает опасность потери управляемости. Болтанка нарушает спектр потока воздуха, подходящего к воздухозаборникам двигателя, что создает угрозу их самовыключения. При разработке конструкции и компановке самолета необходимо учитывать ето явление:

-предусматривать различные меры, повышающие усталостную прочность конструкции;

-создавать безопасно повреждаемые конструкции, в которых разрушение одного или нескольких элементов не ведет к катастрофическим последствиям;

-обеспечить возможность надежно визуального или инструментального контроля состояния конструкции, позволяющего обнаруживать трещины при предполетным осмотре.