項目二飛行環境目錄/CONTENTS大氣層的構造大氣的物理參數標準大氣壓包圍地球并隨地球一起運轉的空氣層被稱為大氣層，簡稱為大氣。飛機、直升機等航空器都在大氣層中飛行，大氣在與之有相對運動的航空器上產生空氣動力，大氣的狀況又直接影響航空器發動機的工作性能和航空器中飛行人員的生活條件。因此，飛機、直升機等航空器的飛行是與大氣層密切相關的。思考：大氣層的定義。為什么要研究大氣層呢？2.1大氣的構成不同人造體可達的高度在不同高度，如：大氣（壓強、密度、溫度、濕度）、氣候（風、雨、雪、云、霧、…）各不相同。飛行器飛行時所處的環境條件，稱為飛行環境，也就是從地球表面到宇宙空間。飛行環境對飛行器的飛行軌跡、結構、材料、飛行性能以及作戰效率等都有著明顯影響。只有熟悉飛行環境并設法克服或減少其影響，才能保證飛行器飛行的準確性和可靠性。大氣層（空氣層）是航空器唯一的飛行活動環境。大氣垂直方向上特性變化顯著。如：密度、溫度、壓強…10km高度

ρ≈1/3ρ0p≈1/4p0100km高度

ρ≈4×10-7ρ0p≈3×10-7p02.1大氣的構成2.1大氣的構成其中99.9%集中在離地球表面50km的高度以內；在2000km高度以上，大氣極其稀薄，逐漸向星際空間過渡；大氣層沒有明顯的上界，如果以空氣密度接近于星際氣體密度的高度作為大氣層的頂界，大約為2000~3000km。大氣層總質量的90%集中在15km高度以內2.1大氣的構成6根據大氣中溫度隨高度的變化，可將大氣層分為五層：大氣層分布對流層(變溫層)平流層(同溫層)中間層電離層(熱層)散逸層大氣的分層民用運輸機的飛行范圍2.1大氣的構成平流層對流層大氣中最低的一層，受地面的影響最大。地面附近的空氣受熱上升，位于上面的冷空氣下沉，進而發生對流運動。赤道區16~18km中緯度區9~12km南北極7~8km;

占大氣全部質量的75%和幾乎全部的水汽。所以對流層是天氣變化最復雜的一層，有云、雨、雪、雹等現象。2.1大氣的構成在此高度內存在空氣的水平流動和垂直流動，形成水平方向和垂直方向的陣風；大氣的物理參數（壓強、密度、溫度和聲速）均隨高度的增加而降低。

對流層的特點：有強烈的對流運動。2.1大氣的構成在對流層的頂部，直到高于海平面約50km的這一層。在平流層的下半部(大約20km以下)，其溫度不隨高度而變化，常年平均值為-56.5C，故又稱同溫層。而且主要以水平運動為主，故稱為平流層。然后隨高度的增加溫度開始上升，直到頂部溫度上升到0℃左右。平流層集中了全部大氣質量的四分之一不到的空氣。2.1大氣的構成平流層中的空氣稀薄，水蒸氣極少，通常沒有云、雨、雪、雹等現象。沒有空氣上下對流引起的垂直方向的風，只有水平方向的風，而且風向穩定。這層大氣能見度好、氣流平穩、空氣阻力小，對飛行有利，現代噴氣式客機多在11~12km的平流層底層飛行。平流層大氣主要是水平方向的流動，沒有上下對流。2.1大氣的構成目前大型客機大多飛行于平流層，原因有哪些？能見度高：平流層水汽、固體顆粒、雜質等極少，天氣晴朗，光線好，能見度很高，便于高空飛行。受力穩定：平流層上暖下涼，大氣不對流，以平流運動為主，飛機在其中受力比較穩定，便于飛行，節省燃油。噪聲污染小：平流層距地面較高，飛機絕大部分時間在其中飛行，對地面的噪音污染相對較小。安全系數高：飛鳥飛行的高度一般達不到平流層，飛機在平流層中飛行就比較安全。2.1大氣的構成3.中間層（50km~80km）中間層位于平流層之上，頂層離海平面80km。特點：空氣十分稀薄，溫度隨高度的增加而下降，空氣在垂直方向有強烈的運動。2.1大氣的構成中間層所含大氣質量只占大氣總質量的1/3000左右；含有大量的臭氧，氣溫隨高度的增加而下降得很快，到頂部氣溫降至160～190K。下層氣溫比上層高，有利于空氣的垂直對流運動，又稱為高空對流層或上對流層。中間層頂部尚有水汽存在，可出現很薄且發光的“夜光云”，在夏季的夜晚，高緯度地區偶爾能見到這種銀白色的夜光云。2.1大氣的構成4.電離層（熱層）（80km~800km）這一層在中間層之上，頂層離地面約800km。空氣密度很小，在700km厚的氣層中，只含有大氣總質量的0.5％。在120km的高空，聲波已難以傳播；270km高空，大氣密度只有地面的一百億分之一。熱層中氣溫很高，且隨高度增高而上升。在300km高度上，氣溫高達1000℃以上。2.1大氣的構成4.電離層（熱層）（80km~800km）電離層中的空氣處于高度的電離狀態，氮、氧分子電離成為離子和自由電子，帶有很強的導電性，能吸收、反射和折射無線電波。所以，這一層對無線電通信很重要。由于空氣電離放出的熱量，這一層的溫度很高并隨著高度的增加而上升，所以電離層也被稱為暖層或熱層。這一層的空氣密度極小，聲波已無法傳播。2.1大氣的構成5.散逸層（800km~）散逸層（外大氣層）是大氣的最外層，從電離層頂部到大氣層的最外邊緣。由于地心引力很小，大氣分子不斷向星際空間逃逸。在此層內，空氣極其稀薄，又遠離地面。這層內的大氣質量只有整個大氣質量的10－11，大氣外層的頂界約為2000～3000km的高度。根據宇宙火箭探測資料表明，地球大氣圈之外，還有一層極其稀薄的電離氣體，其高度可延伸到22000km的高空，稱之為地冕。地冕也就是地球大氣向宇宙空間的過渡區域，人們形象地把它比作是地球的“帽子”。2.2大氣物理特性大家喜歡旅游嗎？喜歡去哪些地方旅游呢？有到過高海拔地（川西高原、西藏等）旅游過嗎？請問那里和現在所處地方有什么不同？2.2大氣物理特性大氣是由多種氣體混合而成，主要成分是氮氣和氧氣。

除了氣體之外，大氣中還含有水蒸氣和塵埃顆粒。

組成大氣的各種氣體分子都在不停地、無規則地（以不同的運動方向和運動速度）運動著，并產生相互碰撞。大氣分子運動的動能以壓力和熱能的形式表現出來。

表示大氣物理狀態的物理參數主要是密度、溫度和壓力。另外，與航空器飛行有關的物理參數還有黏性、壓縮性、濕度和聲速等。2.2大氣物理特性1.大氣的密度大氣密度是指單位體積內的空氣質量，簡單說就是空氣稠密的程度。質量為m的空氣，如果其體積為V，則密度為：

大氣的密度隨高度的變化在國際單位制中，密度的單位是kg/m3。空氣的密度大，說明單位體積內的空氣分子多，比較稠密；空氣的密度小，說明單位體積內的空氣分子少，比較稀薄。大氣的密度隨高度的增加而減小，近似按指數曲線變化。在6700m高度，大氣密度僅為海平面大氣密度的1/2。2.2大氣物理特性2.大氣的溫度大氣溫度是指大氣層內空氣的冷熱程度。溫度的高低表明了空氣分子不規則熱運動平均速度的大小。分子運動速度大，即分子的平均動能大，則大氣的溫度高；分子運動速度小，即分子的平均動能小，則大氣的溫度低。度量溫度的單位有：攝氏溫度(℃)、華氏溫度(F)和熱力學溫度(K)。攝氏溫度/oC華氏溫度/oF絕對溫度/oK在標準大氣壓下，純水的沸點100212373.15在標準大氣壓下，純水的冰點032273.15溫度高低表明空氣分子不規則熱運動平均速度的大小。在11km以下，隨高度的增加氣溫下降，線性變化。2.2大氣物理特性

攝氏溫度(℃)、華氏溫度(F)和熱力學溫度(K)之間的換算關系如下：

其中：TC—攝氏溫度TF—華氏溫度TK—絕對溫度度量大氣溫度的溫標2.2大氣物理特性3.大氣壓力大氣壓力即指大氣層內空氣的壓強，即單位面積上承受的空氣的垂直作用力。空氣對物體表面產生壓力的原因有兩個:空氣重力

如某一高度上，空氣的壓力就是這高度以上的空氣柱重力作用的結果，所以在垂直方向上，越向上空氣柱越短，空氣壓力就越低。空氣分子的熱運動由于空氣分子不規則的熱運動使空氣分子彼此間互相碰撞，或對容器壁碰撞而產生壓力，所以在同一個高度上，由于空氣溫度不同，空氣的壓力也是不均勻的。2.2大氣物理特性大氣壓力隨高度的變化度量大氣壓力的單位有：mmHg(毫米汞柱)、Pa(N/m2)(帕)、psi(poud/in2，磅每平方英寸)、kgf/cm2(千克力每平方厘米)等。其中，Pa(帕)為壓強的國際計量單位，其他為非法定計量單位。因為大氣壓力隨高度和溫度變化，所以規定在海平面，溫度為15°C時的大氣壓力為一個標準大氣壓，記為101325Pa。大氣壓隨高度增大而減小。2.2大氣物理特性4.黏性當流體內兩相鄰流層的流速不同時，或流體與物體間發生相對運動時，兩個流層接觸面上或流體和物體接觸面上便產生相互黏滯和相互牽扯的力，這種特性就是流體的黏性。黏性是流體固有的屬性。它與物體在介質中的運動密切相關。大氣的黏性比較小，不容易被覺察，但對航空器飛行的影響卻不能忽略。大氣的黏性主要是由于大氣中各種氣體分子不規則運動造成的。

氣體分子的不規則運動使各層的氣體分子可以互相交換，當相鄰兩層氣體之間有相對運動時，這種交換會帶來動量的交換，從而產生相互牽扯的作用力，這種作用力就是大氣的黏性力，或稱作大氣的內摩擦力。2.2大氣物理特性不同的流體具有不同的黏性系數，同一流體的黏性系數又隨溫度而變化：流體黏度隨溫度變化的特性稱為流體的黏溫特性。流體黏性系數隨溫度變化情況（a）氣體；（b）液體溫度升高，氣體粘度系數增大。溫度升高，液體粘度系數減小。2.2大氣物理特性聲速聲速(舊稱音速)是小擾動在介質中的傳播速度，單位是m/s。物體的振動在介質中引起的小擾動會以介質不斷被壓縮(壓力和密度增大)、膨脹(壓力和密度減小)的形式向四周傳播，形成介質疏密交替變化的小擾動波。受到擾動的介質和未受到擾動的介質之間的分界面稱為波面，小擾動波的波面是以擾動源為中心的球面。聲波-疏密波（縱波）2.2大氣物理特性聲速在相同的壓力變化量作用下：介質可壓縮性越大，密度的變化量越大，聲速就越小；介質可壓縮性越小，密度的變化量越小，聲速就越大。液體幾乎是不可壓縮的，聲波在液體中的傳播速度要比在大氣中的傳播速度大得多。因此，可以把聲速的大小看成是表示介質可壓縮性大小的一個指標。2.3國際標準大氣1.國際標準大氣的制定飛行器在大氣層中飛行時，其飛行性能與大氣的物理性質密切相關。而大氣的物理性質(密度、溫度、壓力等)都會隨著地理位置、高度、季節、時間等不同而變化。同一架飛機在不同地點試飛會得出不同的飛行性能；在同一地點不同季節、時間試飛也會得出不同的結果。在設計、計算飛機飛行性能時也需要有一個標準的大氣物理參數可以采用。為了便于飛機的設計、計算和整理，比較飛機的試飛結果并給出標準的飛機性能數據，必須有一個標準的大氣狀態作為基準，為此制定了國際標準大氣(ISA)。2.3國際標準大氣國際標準大氣是由國際民航組織（ICAO）制定的，它是以北半球中緯度地區大氣物理性質的平均值為依據，加以適當的修正建立的。國際標準大氣具有以下的規定：大氣是靜止的、相對濕度為零的，潔凈的完全氣體，即服從完全氣體的狀態方程，即：

p=ρRT其中:

p—大氣壓力(Pa)；

ρ—大氣密度(kg/m3)；

R—氣體常數

T—大氣的熱力學溫度(K)。2.3國際標準大氣

p=ρRT從狀態方程可以得出大氣密度、溫度和壓力之間的關系：壓力不變，密度和溫度成反比；密度不變，壓力和溫度成正比;溫度不變，密度和壓力成正比。以海平面作為高度計算的起點，即H=0。在該處的大氣物理參數：p=760mmHg(10