Плотность сухог о и влажного воз духа

 

Од ним из основных физических параметров атмосферы, оказывающим влияние на летны е и эксплуатационные характ еристики ВС, является пл отность воздуха.

Плотность воздуха ( r ) – эт о масса воздуха в единице объема. Измеряет ся в г/м3 или кг/м3. Непосредственно плот ность воздуха не измеряется, она определяется из уравнения состояния газов:

r= P = P, (2.34)

 

 

где: Р - д авление возд уха;

t - температура в °С;

R -газовая постоянная.

RT R (273 + t)

 

Из формулы видно, что плотность воздуха находится в прямой зависимости от давления и в обратной – от его температ уры. При постоянном давлении плотность возд уха зависит только от изменения температуры, поэтому при полете на эшелоне (Р = const) на летно- эксплуатационные характеристики ВС влияет т олько температура воздух а. С высот ой плотность воздуха уменьш ается, т ак как д авление с высотой уменьш ает ся быстрее, чем понижает ся температ ура. Так, до высоты 5 км давление уменьшается примерно в два раза, а температ ур а понижает ся только на 12%. Понижение температуры несколько замедляет уменьшение плотности, поэтому плотность с высотой падает медленнее, чем давление. На высоте 5 км плотность возд уха составляет 60% от плот ности на уровне моря, а на высот е

10 км – около 35%.

Плотность воздуха зависит также от его влажности. Плотность вод яного пара при

равных значениях температуры и д авления составляет 0,622 от плотности сухого воздуха.

Поэтому влажный воздух легче сухого. При температ уре 40°С и относительной влажности

100% влажный воздух легче сух ого на 2,8%. Для вычисления плотности влажного воздуха используют виртуальную температуру (ТV) – эт о такая т емпература, при кот орой плотность сухого воздуха равна плотности влажного воздуха, при т ом же давлении Р:

 

 

где: e - упругость вод яного пара.

 

Или

 

где: S -массовая доля водяного пара.

 

v

T = T (1 +0,378 e), (2.35)

P

 

 

T v = T (1 + 0,608 S), (2.36)

 

Использование виртуальной температ ур ы позволяет учитыват ь влияние влажности на плотность воздуха, а, следовательно, и на взлет но-посадочные характеристики ВС:

 

r вл. в - ха

 

= P. (2.37)

RTv

 

Влияние влажности на плот ност ь воздуха целесообразно учитывать при т емперат уре воздух а выше +20°С и относительной влажности более 50%. Уменьшение плот ност и воздуха из-за содержащегося в нем водяного пара при температуре +30°С равносильно повышению температуры на 5°С, а при температуре +40°С – почти на 9°С. Плотность воздуха также, как температура и давление, изменяется в пространстве и во времени. У экватора плот ност ь воздух а в т ропосфере меньше, чем в Европе. Зимой плотность воздуха больше, чем летом.

В Европе средняя величина плотности воздуха у земной поверхности равна 1258 г/м3, а на высоте 5 км - 735 г /м3.

 

СТАНДАРТНА Я АТМОСФ ЕРА

 

Состояние реальной атмосферы довольно изменчиво. Такие характерист ики, как температ ур а, давление и плотность воздух а, оказывающие влияние на полет самолета, могут значительно меняться в течение сут ок, года, а также отличаться между собой над различными географическими районами. Все это затрудняет использование указанных д анных для

расчет ов аэродинамических характерист ик ВС, сравнения этих характ еристик, проведения градуировки пилотажно-навигационных приборов и т.д. Поэ тому, для расчетов и проектирования летательных аппаратов, обработки результ атов геофизических и метеороло- гических наблюдений, приведения результатов испытаний лет ательных аппаратов и их б ортовы х приборов к одинаковым условиям, применяет ся стандартная атм осфера (СА). Эт о условная, “постоянная” атмосфера, кот орая отражает средние значения физических х арактерист ик атмосферы по высотам. СА одинакова для любого времени суток и года и рассмат ривается в предположении, что воздух представляет собой идеальный газ и основные его параметры на уровне моря имеют определенные общепринятые исх одные значения.

Для расчета СА используются данные многолетних мет еорологических наб людений в приземном слое, сведения, получаемые путем радиозондирования атмосферы, и результ аты измерений с помощью метеорологических ракет за многолетний период. С ущ ествуют СА как межд ународные, так и национальные, а т акже для отдельных географических районов (т ропическая, арктическая летняя, арктическая зимняя). В настоящее время используется СA-81, кот орая по своей структуре и содержанию соответствует международному стандарту и ст андарту Межд ународной организации гражданской авиации. В ней физические величины выражены в единицах СИ. CA-81 уст анавливает средние значения основных термодинами- ческих параметров атмосферы (т емперат уры, давления, плотности, ускорения свободного падения и скорост и звука) в диапазоне от 2000 м ниже уровня моря до вы соты 50 км для ш ироты 45°32'33", Эти параметры соот ветст вуют ср еднему уровню солнечной активности. В ней дают ся также рекомендации для высот 50…80 км и приводятся справочные данные д ля высот 80…120 км. Значения всех термодинамических парамет ров ат мосферы даны не т олько для геометрической, но и для геопотенциальной высоты.

 

СА состоит из т рех основных таб лиц.

Таблица 1 сод ержит данные о температуре, ат мосферном давлении, плотности воздуха и ускорении свободного падения на соот вет ствующих геометрических и геопотенциальных высот ах.

 

Таблица 2 содержит сведения об относительных значениях величин давления и плотности возд уха, скорости звука, динамической и кинетической вязкости и т еплопроводност и в зависимости от геопот енциальной высоты.

 

Таблица 3 содержит данные о высот е од нородной атмосферы (условной атмосферы с од инаковой плотностью на всех высотах), удельной массе воздуха, концентрации, скорост и и средней длине свободного пробега частиц возд уха.

Для различных высот физические характерист ики при известных значениях

т емпературы воздуха и относительной молекулярной массы рассчитаны по уравнению состояния газов и барометрическим формулам. При этом принято, чт о температура воздуха в т ропосфере понижается с высотой по линейному закону. Ее верт икальный градиент до высот ы 11 км равен 0,65°С/100 м, в нижней стратосфере от 11 до 20 км температ ур а ост ается постоянной (-56,5°С), а выше 20 км она раст ет и достигает -2,5°С на высоте 50 км.

Для уровня моря в СА-81 приняты следующие значения основных физических х арактерист ик и констант:

1) т емпература воздух а – 15°С или 288,15K;

2) д авление – 760 мм рт.ст. или 101325 Па (1013,25 гПа);

3) плотность воздуха - 1,225 кг/м3;

4) от носительная влажность всей атмосферы – 0%;

5) молярная масса Мо - 28,964 кг/моль;

6) газовая постоянная сухого воздуха - 287,039 Дж/кг.К;

7) ускорение свободного пад ения -9,8066 м/с2;

8) скорость звука рассчитывается по формуле a = 20,0463

T и равняет ся 340,294 м/с.

В реальной атмосфере распред еление температ уры, давления, плотности воздуха и других парамет ров в конкрет ный момент и в конкретном пункте земного ш ара всегда в т ой или иной степени отличается от СА. В руководствах по летной эксплуатации самолетов и вертолетов все летно-эксплуатационные характерист ики соответ ствуют условиям СА. Поэтому при полетах в реальной ат мосфере нужно учитывать изменение лет но- эксплуатационных х арактеристик при от клонении факт ических значений физических характеристик от значений СА. Эт о осуществляется приведением летных характеристик к условиям СА.

 

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ И КОНТРОЛЯ ЗНАНИЙ

 

1. Что называется температурой воздуха?

2. Где проводится измерение температуры воздуха на метеорологических станциях и с какой

точностью?

3. Каким образом проводится переход от температуры воздуха в °F к °С и наоборот?

4. Какая температура воздуха определяется на метеорологических станциях?

5. Каким образом указывается температура воздуха на картах погоды?

6. Что яв ляется основ ным источником тепла для атмосферного воздуха вблизи земной поверхности?

7. При каких процессах происходит нагревание и охлаждение воздуха вблизи земной поверхности?

8. До каких высот происходит обмен теплом между земной пов ерхностью и атмосферой с помощью конвекции (радиации, турбулентности, теплопроводности)?

9. Какие изменения температуры воздуха называю тся периодическими (непериодическими) и за счет

чего они происходят?

10. Когда наблюдается минимум (максимум) в суточном (годовом) ходе температуры воздуха?

11. Что называется суточной (годов ой) амплитудой температуры воздуха и от чего она зависит?

12. Где находятся полюса холода (тепла) в Европе и на земном шаре в целом?

13. Что называется в ертикальным температурным градиентом?

14. Что обозначает запись g = 0,65°С/10 0 м, g = 0°С/100 м, g = - 0,4°С/100 м?

15. Какие задачи можно решать с помощью вертикального температурного градиента?

16. Что называется слоем инверсии (изотермии)?

17. Как образуется радиационная (адвективная, фронтальная, сжатия) инв ерсия?

18. Какое влияние на условия погоды и полетов оказывают слои инверсии (изотермии)?

19. Что называется кривой стратификации?

20. Как изменя ется температура воздуха от экв атора к полюсам при изменении широты на 1°?

21. Что называется процессом конденсации (испарения, таяния, сублимации)?

22. Как изменя ется температура воздуха при испарении (конденсации, сублимации) капель в оды

(водяного пара)?

23. Что называется в лажностью воздуха?

24. Что называется упругостью (абсолютной, относительной влажностью, массовой долей) водяного пара?

25. Что называется точкой росы и как она наносится на карты погоды?

26. Какие процессы приводят к насыщению воздуха в одяным паром и какой из них является основным?

27. Что называется атмосф ерным дав лением и в каких единицах оно измеряется?

28. С помощью каких приборов измеряется атмосферное давление?

29. Что называется барической тенденцией?

30. Как на карту погоды наносится атмосф ерное давление и барическая тенденция?

31. Дать характеристику основного урав нения статики атмосферы.

32. Записать ф ормулу основного закона изменения давления с высотой и объяснить ее физический смысл.

33. Записать формулу Лапласа (Бабине) и объяснить ее физический смысл.

34. Что называется барической ступенью и чему она равняется вблизи земной поверхности при измерении давления в гПа (мм рт.ст.)?

35. В каком воздухе давление с в ысотой убывает быстрее: в теплом или холодном?

36. Что называется изобарами и как они пров одятся на картах погоды?

37. Ч то называется изобарической поверхностью?

38. Записать формулу геопотенциала и объяснить ее физический смысл.

39. Каким образом изменяется высота изобарической поверхности над циклонами (антициклонами),

областями тепла (холода)?

40. Ч то называется циклоном (антициклоном, ложбиной, гребнем, седловиной)?

41. Ч то такое дав ление QNH (QFE, QFF, QNE)?

42. Какое давление указывается в св одках о ф актической погоде METAR (SPECI)?

43. Какое дав ление указывается в местных регулярных (специальных) св одках о фактической погоде на аэродроме?

44. Ч то называется плотностью в оздуха?

45. От каких физических характеристик атмосферы зависит плотность воздуха?

46. Ч то называется виртуальной температурой?

47. Какой воздух легче: сухой или влажный?

48. При каких значениях температуры и относительной влажности целесообразно учитывать влияние в лажности на плотность в оздуха?

49. Ч то такое стандартная атмосфера?

50. Ч ему равняется температура, атмосферное давление и плотность воздуха на уров не моря в стандартной атмосфере?