Взаимодействие ЛА с окружающей средой. Модель атмосферы.

11. Взаимодействие ЛА с окружающей средой. Модель атмосферы.

3.2. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОЗДУХА

 

3.2.1. Основные параметры воздуха

 

Воздух представляет собой совокупность хаотически движущихся молекул газов, составляющих атмосферу Земли. Состояние воздуха определяют как равновесную термодинамическую систему, основные параметры которой давление р, плотность  и температура Т. Указанные параметры связаны между собой уравнением состояния газа (уравнением Клайперона)

                                ,                                 (3.1)

где – газовая постоянная газа. = 8314,2 – универсальная газовая постоянная; _Σ – молекулярная масса газа.

Для воздуха

Термодинамика равновесных процессов состояния газа характеризуется двумя энергетическими показателями: внутренней энергией е и энтальпией i. Внутренняя энергия представляет собой кинетическую энергию движения всех молекул, определяемую формулой

                                      .                                 (3.2)

Энтальпия – это сумма внутренней энергии газа и работы вытеснения, совершаемой газом при его расширении,

                                ,                           (3.3)

где , с_р – удельные теплоемкости при постоянных объемах v и давлении р.

Для идеальных газов эти теплоемкости связаны уравнением Майера

                                    .                            (3.4)

Отношение удельных теплоемкостей  характеризует особенности протекания адиабатического процесса. При изменении состояния термодинамической системы, протекающем без теплообмена с внешней средой, процесс описывается уравнением

                                                                      (3.5)

где  – показатель адиабаты. Для воздуха k = 1,4.

В реальных технических системах фактически всегда присутствует теплообмен. Такие термодинамические процессы называются политропными. Уравнение их состояния имеет вид

                                 ,                                (3.6)

где n – показатель политропы, значение которого определяется подводом или отводом теплоты между газовым потоком и внешней средой, а также процессами изменения состояния термодинамической системы.

 

3.2.2. Атмосфера Земли

 

Атмосферой называется газовая оболочка, окружающая Землю и другие планеты. Под атмосферой Земли понимается ее газовая оболочка, которая простирается от поверхности Земли до нескольких десятков тысяч километров. Масса воздуха атмосферы составляет 5,15 10¹⁸ кг. От параметров атмосферы Земли, и прежде всего, от давления, плотности и температуры, а также от состава и поведения воздуха зависят возможности полета аэростатистических и аэродинамических ЛА.

С увеличением высоты плотность атмосферы Земли резко убывает, поэтому параметры атмосферы обычно принимаются во внимание при проектировании ЛА на высоту полета до
300 км.

Меняется по высоте и состав атмосферы: уменьшается содержание азота, а с высоты 200 км начинается его диссоциация и переход в молекулярное состояние. Кислород на высоте выше 100 км начинает также переходить в молекулярное состояние. На высотах от 25 до 50 км в атмосфере содержится озон, который интенсивно поглощает солнечное ультрафиолетовое излучение.

На высотах более 150–200 км циркуляция атмосферы оказывается недостаточной для равномерного ее перемешивания, поэтому выше этих уровней в атмосфере начинают преобладать более легкие частицы: сначала – атомарный кислород, затем атомы гелия и водорода. Состав верхней атмосферы Земли зависит также от времени суток, географической широты, солнечной активности и геомагнитных возмущений.

От состава атмосферы и ее способности улавливать тепло Земли и солнечную энергию существенно зависит температура атмосферы, которая резко изменяется по высоте. Для того чтобы проводить аэродинамические расчеты по единым условиям для всех проектно-конструкторских организаций, ГОСТом введены согласованные с международными аэронавтическими организациями некоторые средние физические параметры стандартной атмосферы, имеющей следующие начальные парамет-ры воздуха:

– давление р_с = 101325 Па;

– плотность = 1,225 кг/м³ ;

– температура Т_с=288,15К;

– скорость звука а_с=340,294 м/с;

– удельная газовая постоянная

Характер изменения плотности и температуры по высоте в соответствии с принятой международной стандартной атмосферой представлен на рис. 3.1. Там же даны условные зоны и границы атмосферы. Приведем некоторые особенности этих зон.

Тропосфера. Является нижней зоной атмосферы. Ее тол-щина на полюсах составляет 8–10 км, на экваторе – 15–18 км.
В пределах тропосферы сосредоточена основная влажность, что проявляется в появлении облачности, дождей, снега, града, грозовых явлений, горизонтальных и вертикальных ветров, доходящих до 30 м/с и выше. Температура воздуха убывает примерно на с каждым километром подъема.

 

Стратосфера имеет верхнюю условную границу 50 км. До высоты 25 км температура примерно постоянна (~220 К), выше температура растет вследствие поглощения солнечного излучения озоном.

В нижней зоне стратосферы могут осуществлять полет летательные аппараты на аэростатическом и аэродинамическом принципах (высотные зонды, самолеты, крылатые ракеты).

Мезосфера. Область атмосферы на высотах 50–90 км, где происходят сложные фотохимические процессы.

В области мезосферы происходит аэродинамическое торможение и нагрев спускаемых на Землю космических аппаратов, а также разрушение и сгорание незащищенных частей конструкции, мелких метеоритов и других тел, попадающих из космоса в атмосферу Земли.

Термосфера. Область атмосферы от 90 до 400 км, где происходят процессы поглощения солнечной энергии и атомарные изменения состава атмосферы, в результате чего температура атмосферы резко повышается.

Верхняя часть термосферы (от 250 до 400 км) является наиболее приемлемой зоной для полета пилотируемых космических аппаратов. На высотах ниже 120–150 км начинается их резкое торможение, приводящее к спуску или разрушению.

Экзосфера. Область верхней границы атмосферы – от 450 до 900 км, в которой наблюдается свободное движение частиц, а также наличие ионизированных частиц, удерживаемых магнитным полем Земли. Здесь происходят полярные сияния, наблюдаемые с Земли.

Торможение космических аппаратов в экзосфере ничтожно мало, что обеспечивает их длительное пребывание на постоянных орбитах.

Экзосфера переходит в ионосферу, далее в космическое пространство.

Ионосфера – ионизированная часть верхней атмосферы Земли. Характеризуется высокой концентрацией ионов и свободных электронов. Состояние ионосферы в значительной степени изменяется в суточном и годовом цикле.