大气飞行环境解析：大气层分层及对飞行的影响

一

大气环境

飞机在大气中飞行的环境条件称为大气飞行环境。地球周围的空气层（即大气层）是飞机的唯一飞行活动环境，也是导弹和航天器的重要飞行环境。大气中没有明显的上限，并且其各种特征的垂直方向上的差异非常明显，例如，随着身高的增加，空气密度迅速变得更薄。

根据高度的大气中温度的分布，大气可以分为五个级别：对流层，平流层，中间层，热层和分散层（外部大气层）。

飞机的大气飞行环境是对流层和平流层。气氛对飞行产生了巨大影响。恶劣的天气条件将危害飞行安全。大气特性（温度，压力，湿度，风向，风速等）也将对飞机的飞行性能和飞行轨道产生不同程度的影响。

二

主要分层

1。对流层（0〜12km）

地球大气中的最低层。对流层中的温度随着高度的增加，空气的对流运动非常明显，气温和湿度的水平分布也非常不平衡。对流层的厚度随纬度和季节而变化。通常，在低纬度地区的平均水平为16-18公里。在中纬度地区的平均值为10-12公里；在高纬度地区，平均水平为8-9公里。就季节而言，夏季，中国的大部分地区通常在对流层层厚，冬季的对流层薄。

对流层将整个大气的质量和几乎所有水蒸气集中在大约3/4的质量中。它是天气变化最复杂的水平，也是对航班的最重要影响。飞行过程中遇到的几乎所有重要的天气现象都出现在此层中，例如雷暴，浓雾，低云窗帘，雨，雪，大气湍流，风剪切等。在对流层中，根据气流和天气现象的特征，可以将其分为三个级别：下层和下层（不扩展）。

2。平流层（12〜50km）

平流层位于对流层的顶部边界上方，其顶部边界延伸至约50至55 km。在平流层中，温度随海拔高度的增加而升高，平流层顶部的温度上升至约-3.15°C至16.85°C。平流层的温度分布特征与其对地面的低影响有关，并且存在大量臭氧（臭氧可以直接吸收太阳辐射）。该层通常称为等温平流层，实际上是指平流层的下部。

在平流层中，空气的垂直运动比对流层的垂直运动要弱得多，并且水蒸气和灰尘颗粒的含量也较小，因此空气流相对较温和，可见性更好。对于飞行，平流层中的气流稳定，空气电阻很小。稳定的温度环境适用于高超音速飞机巡航；但是，由于空气稀薄，飞机的稳定性和可操作性降低。现代的高性能战斗机和侦察飞机可以在平流层中飞行。

3。中层（50〜80km）

中间层从平流层的顶部延伸至80 km的高度。中间层的温度随着高度的增加而降低，最高温度可以低至-113.15℃〜 -83.15℃。空气很薄，但垂直运动很强，航天器需要越过这层。

4。热层（80〜800公里）

从中间层的顶部延伸到约800公里的高度。空气密度很小，声波很难传播，并且温度随海拔高度的增加而升高（可以达到1700℃）。空气层处于高度电离状态，电离层的变化将影响飞机的无线电通信。 出现在该层的极端。

5。分散层（80〜）

散射层，也称为逃生层和外气氛，是地球大气的最外层，位于热层上方。空气非常薄，离地面很远，受地球重力的影响较小，因此大气分子继续逃脱到星际空间。航天器离开这层后，它进入太空飞行。

三

关键的物理属性和参数

1。状态参数

2。特殊属性

四个

国际标准气氛

随着大气飞行环境的密度，温度，压力和其他参数随着地理位置，地面高度和季节的变化而变化，飞机的空气动力学和飞行性能会发生相应的变化。

为了统一空气动力学和飞行绩效研究标准，国际民航组织（ICAO）和美国已经制定了标准大气模型（例如1962年版），如图3所示。假设大气是无固定且无水分的，则用于飞机性能计算和仪器校准。实际的大气状态（例如温度和压力偏差）需要通过校正系数调整。

ICAO目前采用的标准气氛非常接近我国北纬45°的气氛，并且在低纬度地区的偏差很大。我国规定，在建立自己的标准氛围之前，以下30公里被视为国家标准，其特征如下：

1）干燥和干净的气氛，并且成分不会随着高度而变化，平均分子量M = 28.9644；

2）具有理想的气体特性；

3）标准海平面重力加速度= 9.806 65m/s²;

4）海平面空气密度为1.225kg/m3;海平面空气温度= 288.16K = 15℃;海平面气压1 013.25HPA = 1大气；

5）在静水平衡中；

6）在小于11,000m的高度下空气密度是多少，温度降低速率为0.65℃/100m；从11,000到20,000m，温度保持不变，至-56.5℃；从20,000到30,000m，温度降低速率为-0.1℃/100m。

下表显示了标准气氛的温度，压力和相对密度的分布（在一定高度与海平面空气密度的空气密度之比）在下表中显示。

五

大气模拟应用程序场景

1。航空场地

2。航空航天和卫星设计

3。工程和科学研究

4。已知偏差

六

总结

气氛是航空活动的核心媒介，其分层特征和物理参数直接影响飞机的设计，性能和安全性。

标准模型提供了理论基准，但是在实际应用中，有必要将气象动态（例如风剪，湍流）和工程要求（例如材料耐热性）结合起来，以进行全面优化。例如，低海拔和高密度空气适用于传统的飞行，稳定的平流层环境有利于长途任务，高海拔高度和极端温度对航天器材料构成挑战。