Вязкость и сжимаемость воздуха

На характер обтекания самолета воздушным потоком и на величину аэродинамических сил, кроме плотности, скорости и давления, оказывают влияние вязкость и сжимаемость воздуха.

Вязкостью называется свойство воздуха сопротивляться взаимному сдвигу частиц. Молекулы воздуха обладают определенной скоростью беспорядочного хаотического движения, зависящего от температуры, а также скоростью общего поступательного движения. Попадая из быстро движущегося слоя в медленный и наоборот, молекулы изменяют характер и скорость своего движения не мгновенно, что и объясняет вязкие свойства воздуха.

При движении самолета в воздушном потоке возникает сопротивление трения, которое определяется вязкостью воздуха. Чем больше температура воздуха, тем больше коэффициент вязкости, обусловленный увеличением хаотического движения молекул и ростом эффективности воздействия одного слоя воздуха на другой.

Сжимаемостью называется свойство воздуха изменять свой объем, а следовательно и плотность, при изменении давления. Способность воздуха сжиматься объясняется большими расстояниями между молекулами. Так как у любого газа межмолекулярные силы сцепления малы, то газ, всегда стремясь расшириться, занимает весь предоставленный ему объем. Сжимаемость характеризуется коэффициентом сжимаемости, который определяется формулой

где V — это объём вещества, p — давление.

Со сжимаемостью связана скорость распространения в воздухе звуковых волн. Звук в воздухе распространяется в виде периодических возмущений плотности и давления, которые называются звуковыми волнами. Скорость распространения этих возмущений и является скоростью звука. Сжимаемость воздуха существенно влияет на характер распространения звуковых волн. Например, повышение давления вызовет большее сжатие холодного воздуха, поэтому скорость звука и сжимаемость холодного воздуха выше, чем у теплого.

http://www.mymus2011.narod.ru/HTMLs/STEREO_zwuk.html

 

Величина сжатия воздуха перед телом пропорциональна скорости потока и обратно пропорциональна скорости звука в нем. Отношение скорости потока к скорости звука называется числом Маха в честь немецкого ученого 19-20 веков Эрнста Маха.

http://avia-simply.ru/chislo-maha/

Число Маха величина безразмерная. Скорость летательного аппарата, используя число М, можно выразить только качественно, то есть оценивая, во сколько раз скорость самолета больше, либо меньше скорости звука.

Число М является одним из важнейших параметров в аэродинамике больших скоростей. Причем не только для сверхзвуковых самолетах, для которых сведения о числе М, так сказать, жизненно необходимы, но и на многих дозвуковых современных самолетах. Ведь скорости их, хоть и дозвуковые, достаточно велики. К тому же практические высоты полетов тоже немаленькие. Так как скорость звука с высотой ощутимо падает, то возникает целесообразность на больших высотах использовать при пилотировании число Маха. Например, на фото показана приборная доска сверхзвукового пассажирского самолета Конкорд, где в правой части представлен указатель числа Маха.

http://avia-simply.ru/chislo-maha/

Атмосфера Марса и Венеры

В конце нашей лекции рассмотрим, как различаются атмосферы Земли, Марса, Венеры. Атмосферы Марса и Венеры существенно отличаются от земной атмосферы как по химическому составу, так и по физическим параметрам.

Атмосфера Марса более разреженная, чем Земная. Давление у поверхности составляет 0,7—1,155 кПа, что соответствует земному на высоте свыше тридцати километров. Примерная толщина атмосферы — 110 км. Примерная масса атмосферы 2,5·10¹⁶ кг. Поскольку атмосфера Марса сильно разрежена, она плохо сглаживает суточные колебания температуры поверхности. Температура на экваторе колеблется от +30 °C днём до −80 °C ночью. На полюсах температура может падать до −143 °C. Плотность атмосферы Марса у поверхности примерно 0,020 кг/м³

http://geektimes.ru/post/240302/

Атмосфера Марса состоит из углекислого газа (95 %) с примесями азота, аргона, кислорода и других газов. Есть, в частности, и примесь водяного пара. Несмотря на сильную разрежённость марсианской атмосферы, концентрация углекислого газа в ней примерно в 23 раза больше, чем в земной. Её состав и давление делают невозможным дыхание земных живых организмов.

https://sites.google.com/site/kosmoissled/harmars

Исследования, проведенные в 2013 году с помощью инструмента Mars Climate Sounder, показали, что в марсианской атмосфере больше водяного пара, чем предполагалось ранее, и больше, чем в верхних слоях атмосферы Земли. Он находится в водно-ледяных облаках, расположенных на высоте от 10 до 30 километров, сосредоточенных в основном на экваторе и наблюдающихся практически на протяжении всего года. Они состоят из частичек льда и водяного пара.

Могут ли летать самолеты на Марсе? Земные нет. Хотя притяжение Марса и ниже Земного примерно в три раза, плотность атмосферы меньше в тысячи раз и ее не хватает для создания достаточной подъемной силы. Поэтому же атмосфера Марса не пригодна и для полета стратостатов. Когда на Марсе создадут обитаемую базу, придется выдумывать для нее новые летательные аппараты.

Атмосфера Венеры намного плотнее и горячее атмосферы Земли: температура у поверхности составляет 740 К при давлении около 9,2 МПа. Атмосфера Венеры разделена на несколько слоёв. Наиболее плотная часть атмосферы — тропосфера, начинается на поверхности планеты и простирается вплоть до 65 км. Ветры у раскалённой поверхности слабые, однако в верхней части тропосферы температура и давление уменьшаются до земных значений, и скорость ветра возрастает до 100 м/с.

https://galeribimasakti.wordpress.com/2011/07/23/rahasia-terbesar-planet-venus/

 

Атмосферное давление на поверхности Венеры в 92 раза выше, чем на Земле, и сравнимо с давлением, создаваемым слоем воды на глубине 910 метров. Из-за такого высокого давления углекислый газ фактически является уже не газом, а сверхкритическим флюидом. Атмосфера Венеры имеет массу 4,8·10²⁰ кг, что в 93 раза превышает массу всей атмосферы Земли, а плотность Венерианского воздуха у поверхности составляет 67 кг/м³, то есть 6,5 % от плотности жидкой воды на Земле.

 

https://ru.wikipedia.org/wiki/Терраформирование_Венеры

 

Атмосфера Венеры содержит непрозрачные облака из серной кислоты, что делает невозможным проведение оптических наблюдений поверхности. Вследствие этого топографическая информация о поверхности получается благодаря радиолокационным исследованиям. Основными газами, составляющими атмосферу, являются двуокись углерода и азот. Другие химические соединения присутствуют только в следовых количествах.

http://www.astrogalaxy.ru/050.html

 

Несмотря на экстремальные условия на поверхности Венеры, атмосферное давление и температура на высоте 50—65 км имеют практически такие же значения, как и на поверхности Земли, что делает верхние слои атмосферы Венеры наиболее похожими на земные в Солнечной системе. Из-за сходства давления и температуры, а также того факта, что воздух для дыхания (21 % кислорода, 78 % азота) на Венере является поднимающимся газом, верхние слои атмосферы были предложены учёными в качестве подходящего места для исследования и колонизации. Кроме того, на этой высоте в атмосфере Венеры возможны полеты стратостатов, самолетов и вертолетов.

http://allday2.com/index.php?newsid=9617

Итак, в этой лекции мы узнали об аэродинамических параметрах атмосфер Земли, Марса и Венеры. В следующем разделе мы рассмотрим особенности конструкции самолета и его основной части крыла.