Атмосфера Земли и ее свойства. Влияние параметров атмосферы на движение подвижных объектов воздушного базирования

Введение

Магнитное поле планеты Земля.

Заключение

Литература: Аверкиев М.А. Механика полёта. Часть 1. Пермь 2001 г.

Учитывая, что определенные части траекторий полета летательных аппаратов проходят в околоземном пространстве, то при расчете их движения необходимо учитывать реальное влияние, в общем случае, атмосферы, гидросферы и магнитного поля планеты Земля (рис.3.1).

Непрерывное расширение диапазона высот и скоростей движения управляемых летательных аппаратов приводит к тому, что взаимодействие летательного аппарата с окружающей средой при полете в атмосфере приобретает в целом все более сложный характер. Поэтому при решении задач динамики полета летательных аппаратов необходимо все более полное знание физических свойств атмосферы, гидросферы и магнитного поля планеты Земля, а также закономерностей их изменения.

Наша Земля окружена воздушным слоем (атмосферой), простирающимся на сотни километров от ее поверхности. Этот слой воздуха вращается вместе с Землей как единое целое. Без атмосферы не смогли бы оторваться с Земли и летать птицы, а также все виды летательных аппаратов, кроме баллистических и космических ракет.

АТМОСФЕРА ЗЕМЛИ (от греч. atmos - пар и сфера), воздушная среда вокруг Земли, вращающаяся вместе с нею; масса околотонн. Состав ее у поверхности Земли: 78,1% азота, 21% кислорода, 0,9% аргона, в незначительных долях процента углекислый газ, водород, гелий, неон и другие газы. В нижних 20 км содержится водяной пар (у земной поверхности - от 3% в тропиках до % в Антарктиде), количество, которого с высотой быстро убывает. На высоте 20-25 км расположен слой озона, который предохраняет живые организмы на Земле от вредного коротковолнового излучения. Выше 100 км растет доля легких газов, и на очень больших высотах преобладают гелий и водород; часть молекул разлагается на атомы и ионы, образуя ионосферу. Давление и плотность воздуха в атмосфере Земли с высотой убывают.

В зависимости от распределения температуры (рис.3.2) атмосферу Земли подразделяют на тропосферу (0-18 км), стратосферу (18-55 км), мезосферу (55-85км), термосферу (85-700 км), экзосферу (выше 700 км.).

По составу воздуха атмосфера делится на две сферы: гомосферу (от 0 до 90-100 км), где относительный состав воздуха постоянен и, следовательно, его средняя молекулярная масса сохраняется постоянной вследствие перемешивания, связанного с движением атмосферы; гетеросферу – слой атмосферы выше гомосферы; процентное содержание легких газов увеличивается с высотой и средняя молекулярная масса воздуха с высотой уменьшается.

Рис. 3.1. Вертикальный срез планеты Земля и окружающего её пространства

Атмосфера Земли обладает электрическим полем. Неравномерность ее нагревания способствует общей циркуляции атмосферы, которая влияет на погоду и климат Земли.

Стандартная атмосфера. Расчет номинальных траекторий движения БЛА проводится в предположении, что все параметры воздуха соответствуют стандартной атмосфере (СА).

Международная стандартная атмосфера (МСА), гипотетическое вертикальное распределение температуры, давления и плотности воздуха в атмосфере Земли, которое по международному соглашению представляет среднегодовое и среднеширотное состояние. Основой для расчета параметров МСА служат уравнения статики атмосферы и состояния идеального газа.

Международная стандартная атмосфера (сокр. МСА, англ. ISA) - условное вертикальное распределение температуры, давления и плотности воздуха в атмосфере Земли. Основой для расчёта параметров МСА служит барометрическая формула, с определёнными в стандарте параметрами.

Для МСА принимают следующие условия: давление воздуха на среднем уровне моря при температуре 15 °C равно 760 мм рт. cт., температура уменьшается по вертикали с увеличением высоты на 6,5 °C на 1 км до уровня 11 км (условная высота начала тропопаузы), где температура становится равной −56,5 °C и почти перестаёт меняться.

В Российской Федерации 01.07.1982 г. принята стандартная атмосфера, определенная ГОСТ 4401-81 «Атмосфера стандартная. Параметры». Параметры СА получают путем осреднения многолетних измерений, проводимых на большой территории. Истинные значения параметров атмосферы по траектории полета всегда будут отличаться в большей или меньшей степени от СА. Действительно, фактическое состояние атмосферы зависит от геоцентрической широты места, высоты, времен года и суток, а также от некоторых других факторов, имеющих случайный характер. Например, от солнечной активности, степени загрязнения атмосферы и т. п.

Аэродинамические силы и моменты, действующие на ЛА в полете, а также величина тяги двигателя существенно зависят от плотности, давления, температуры воздуха и скорости ветра. Действительно, плотность воздуха входит в качестве множителя в уравнения, определяющие аэродинамические силы и моменты. От температуры воздуха зависит скорость звука, которая влияет на величину числа Маха (М) и тем самым на коэффициенты аэродинамических сил и моментов. Атмосферное давление определяет высотную поправку к величине реактивной тяги. Скорость ветра существенно влияет на величину аэродинамических сил и моментов.

Аэродинамические силы, действующие на ЛА, в первом приближении пропорциональны плотности атмосферы. При проведении расчетов обычно используются определенные модели стандартной атмосферы, в которых плотность атмосферы r задается функцией только высоты . Однако, более точные модели атмосферы, учитывающие вращение Земли и реальное влияние ускорения силы земного притяжения, показывают, что плотность атмосферы зависит не только от высоты, но и от широты j.

Возможны три направления в учете влияния атмосферы на движение ЛА.

Первое из них заключается в использовании фактического распределения физических параметров атмосферы. По своей сути оно является наиболее эффективным, однако, в настоящее время нет еще способов определения состояния параметров атмосферы с нужной точностью и полнотой в заданное время.

Второе направление связано с определением характеристик атмосферы путем использования гидродинамических моделей.

В 2005 году было принято решение о внедрении в оперативную практику Гидрометцентра атмосферной гидродинамической модели высокого разрешения. Основная цель внедрения заключалась в необходимости создания альтернативного источника прогностических приземных полей ветра и давления для расчета уровня моря по модели Балтийского моря. Единственно подходящей для этой цели моделью на тот момент времени, с учетом вычислительных мощностей организации, являлась мезомасштабная модель атмосферы ММ5. Данная модель хорошо развита и используется в качестве оперативной модели во многих национальных метеорологических службах мира. После адаптации данной модели для нашего географического региона и проведенных испытаний, с 2007 года в опытном порядке проводятся ее ежедневные расчеты на многопроцессорном кластере расположенном в Институте Информатики РАН. Результаты расчетов поступают в Санкт-Петербургский ЦГМС-Р по каналам связи и используются не только при расчете модели Балтийского моря, но и в оперативной работе синоптиков-прогнозистов.

Модель ММ5 с пространственным шагом 18 км и временным шагом 1 час имеет 40 уровней по высоте, а для ее расчета требуется 70 минут. Число узлов сетки 126*126, Санкт-Петербург находится в центре счетной области (рис. 1), которая охватывает весь Северо-Западный регион РФ.

Перечень выходной продукции модели обширен. Это приземные карты и карты свободной атмосферы для множества метеоэлементов на уровнях от земной поверхности до 300 гПа. На рисунках показаны поля ветра и давления у земли, поля приземного давления и осадков, поля приземного давления и температуры в феврале 2010 г.

Прогноз полей приземного давления и ветра на 15-02-2010 г.

Прогноз полей приземного давления и осадков 13-02-2010 г.

Прогноз полей приземного давления и температуры на 14-02-2010 г.

К сожалению, такие модели для стратосферы и мезосферы еще не созданы вследствие больших трудностей математического описания происходящих в них процессов, а существующие гидродинамические модели, позволяющие учитывать поля температуры и давления в тропосфере, не дают пока необходимой точности.

Наконец, третье направление предполагает использование статистических характеристик физических параметров атмосферы, и суть его заключается в следующем. Как известно, движение летательного аппарата описывается в общем случае системой нелинейных дифференциальных уравнений, в правые части которых входят случайные внешние возмущения, в том числе и атмосферные возмущения. Если статистические характеристики возмущений известны, то различные методы статистического анализа систем дают возможность определить характеристики рассеивания траекторий движения аппаратов в плотных слоях атмосферы.

Приближенное решение уравнений гидростатики (с учетом того, что атмосфера вращается вместе с Землей) определяет искомую зависимость плотности атмосферы от точки местонахождения ЛА и температуры .

,

где f - гравитационная постоянная Земли, r - радиус-вектор местоположения БЛА,- газовая постоянная.

На аэродинамические характеристики ЛА влияют сила и направление ветра, влажность воздуха.

В верхних слоях тропосферы наблюдаются струйные течения воздуха, которые определенным образом влияют на аэродинамические характеристики ЛА. Сильные порывы ветра у поверхности Земли могут изменять силу и направление потока воздуха в течение секунд.

На основе многолетних наблюдений розы ветров в атмосфере Земли получены модели изменения скорости ветра -u в зависимости от вариации плотности атмосферы в точке местонахождения ЛА (r-радиус вектор) на широте j. Одна из моделей определяет скорость ветра из формулы:

,

где r - плотность атмосферы, - угловая скорость вращения Земли, = 760 мм рт. ст.- стандартное давление.

Скорость распространения звука в атмосфере является своеобразным рубежом при достижении, которого, резко меняются аэродинамические характеристики ЛА. В аэродинамике часто используют понятие относительной скорости полета летательного аппарата - числа Маха - (М) - отношение скорости полета к местной скорости звука (скорости в данных конкретных условиях). Число Маха является мерой сжимаемости воздуха и характеристикой скорости. В зависимости от величины числа М скорости полета подразделяют на:

- дозвуковые, когда скорость полета меньше скорости звука, т.е. М< 1;

- околозвуковые, когда скорость полета близка к скорости звука, т.е. М@1;

- сверхзвуковые, когда скорость полета больше скорости звука, т.е. М>1.

Скорость звука в газовой среде можно вычислить по формуле

,

где k=1,4 – показатель адиабаты; g – ускорение свободного падения, -газовая постоянная; T – температура в градусах Кельвина. Следует заметить, что перечисленные параметры следует вводить с учетом высотной поправки, т.е. учитывать высоту полета ЛА в конкретный момент времени.

ЧИСЛО МАХА (число М), безразмерная характеристика течения сжимаемого газа, равная отношению скорости течения к скорости звука в той же точке потока: - основной критерий подобия для течения сжимаемого газа.

Рис.3.2. Распределение температуры и давления в атмосфере

Отклонение фактических параметров атмосферы от стандартных называют вариациями параметров. Модели таких вариаций необходимы для решения следующих задач:

- отработка в процессе проектирования алгоритмов управления движением ЛА с целью получения наименьшего разброса терминальных (т.е. конечных) параметров траектории и достижения приемлемых переходных процессов при регулировании;

- определение расчетных аэродинамических нагрузок, действующих при полете в атмосфере;

- оценка возможного рассеивания терминальных параметров движения для конкретных условий полета.

Последняя задача требует довольно точного знания истинного состояния атмосферы в рассматриваемом месте и в заданные времена года и суток. Для построения адекватной модели возмущений параметров атмосферы требуется проведение многолетних измерений в различных районах земного шара и накоплении большого статистического материала.

Для первой и второй задач можно удовлетвориться знаниям только наихудших вариаций параметров атмосферы. Модель таких состояний атмосферы должна строиться достаточно аккуратно, чтобы избежать чрезмерного завышения возможных вариаций. Если вариации завышены, то алгоритмы окажутся излишне усложненными, а конструкция ЛА - излишне тяжелой. Если же вариации занижены, то в условиях реального полета ЛА может не справиться с действующими возмущениями и нагрузками.

Дата добавления: 2014-01-03