И законы аэродинамики

Атмосфера — это газообразная оболочка, окружающая Землю и вращающаяся вместе с ней. Исследование состояния атмосферы представляет большой интерес для авиации, т.к. от состояния атмосферы зависят летно-технические характеристики самолетов.

До высоты 100 км состав атмосферы не меняется, так как разделению газов препятствует непрерывное турбулентное движеие воздуха. Этот слой называется гомосферой (однородный). Непостоянным является только содержание углекислого газа, водяного пара
и пыли. Содержание углекислого газа в нижних слоях атмосферы постоянно увеличивается за счет сжигания топлива и жизнедеятельности фауны. Пыль поступает в атмосферу и с поверхности земли (заводы, степи, пустыни, вулканы) и из космоса.

Космическая пыль образуется главным образом при сгорании метеоров. Ежедневно на Земле выпадает 1000 т космической пыли.

Выше 100 км расположена гетеросфера (неоднородный слой). Здесь под действием ультрафиолетовой радиации Солнца молекулы газа расщепляются на атомы. Состав воздуха по высоте значительно изменяется.

Давление и плотность воздуха с высотой быстро уменьшаются.

Атмосфера имеет слоистое строение. По решению Международного геодезического и географического союза, принятого в 1951 году, атмосфера по характеру изменения температуры с высотой и другим физическим свойствам подразделяется на 5 слоев:

1) Тропосфера

2) Стратосфера

3) Мезосфера

4) Термосфера

5) Экзосфера

Тропосфера (от греч. tropos – поворот, изменение) – слой атмосферы, непосредственно прилегающий к Земле. Ее высота колеблется в пределах от 7 км над полюсами до 16…18 км над экватором. Средняя высота этого слоя составляет 11 км. В тропосфере сосредоточено около 80% всей массы воздуха атмосферы. В этом слое температура понижается на 6.5 С° на каждые 1000 м.

Её называют " фабрикой погоды", т.к. только в этом слое наблюдаются метеорологические явления. Серьезную опасность для полетов самолета представляют такие атмосферные явления, как облачность, осадки, грозы, обледенение, порывистые ветры, пыльные бури. Они могут вызвать «болтанку», опасные вибрации самолета, нарушить его устойчивость и управляемость.

Стратосфера (от лат. stratum — слой) простирается до высоты 50…55 км. В стратосфере сосредоточено около 20% массы воздуха атмосферы.. До Н=25км температура остаётся постоянной –t = -56.5С°, а затем повышается на 1-2 С на каждый км. Повышение температуры объясняется активным образованием озона (О ) под влиянием ультрафиолетовой радиации Солнца. В стратосфере нет облачности, осадков и отсутствует опасность обледенения. Струйные течения шириной в сотни километров, имеющие скорость 150…500 , наблюдаются только в нижних слоях. В верхних слоях иногда образуются перламутровые облака.

Мезосфера (от греч. mesos) средний, промежуточный) расположена над стратосферой и простирается до высоты 80 км. Температура в этом слое уменьшается в среднем на 3 через каждый километр. На верхней границе она становится равной -75 С. В мезосфере наблюдаются красивые серебристые облака, состоящие из ледяных кристаллов.

Термосфера (от греч. terme – теплота, жар) – слой атмосферы от 80 до 800 км. Температура здесь повышается с высотой примерно на 10 С на каждый километр: на высоте 150 км t=220…240 С, на высоте 200 км t> 500 С. Но так как плотность воздуха на этих высотах очень мала, то высокие температуры не вызывают нагревания находящегося там тела. Излучение Солнца вызывает ионизацию и диссоциацию молекул воздуха в нижнем слое термосферы, поэтому этот нижний слой называют ионосферой. В ионосфере происходят полярные сияния.

Экзосфера (от греч. exo – вне, наружу) – сфера рассеивания, переходящая в межпланетное пространство. Она мало изучена, верхняя ее граница точно не установлена. Условно за верхнюю границу приняты высоты 2000… 3000 км, где плотность воздуха в 16 раз меньше, чем у Земли. Температура здесь возрастает до 2000⁰С.

Атмосфера плавно переходит в космическое пространство.

Между слоями в атмосфере существуют переходные слои в 2-3 км, называемые паузами (тропопауза, стратопауза и так далее).

Наибольший интерес для авиации представляют тропосфера и стратосфера.

Международная стандартная атмосфера

Значения давления, температуры и плотности, характеризующие состояние атмосферы, изменяются в зависимости от времени и координат в широких пределах, что затрудняет аэродинамические расчеты летно-технических характеристик самолета.

Чтобы производить расчёты при проектировании самолёта и сравнивать результаты испытаний самолётов, проводимых в разных погодных условиях, создана условная воздушная среда, названная международной стандартной атмосферой (МСА), состояние которой соответствует среднегодовым значениям параметров воздуха для средних широт.

МСА имеет вид таблиц, в которых для каждой высоты задаются основные параметры воздуха.

В качестве начальных условий для стандартной атмосферы приняты параметры воздуха, соответствующие условиям на уровне моря:

p = 101325Па = 760 мм рт ст;

T =288К= 15 C.