Ответы на вопросы

1.Интерпретируйте понятие атмосфера Земли и укажите её основные параметры.

Атмосфера(от греч. atmos-пар и сфера) и околоземное космическое пространство. Атмосферой принято считать область вокруг Земли, в которой газовая(воздушная среда) вращается вместе с Землей как единое целое.

Атмосфера состоит из воздуха, представляющего собой смесь газов. Воздух - среда очень неустойчивая и не постоянная.

Основные параметры:

• Давление р.

• Плотность ()

• Относительная плотность .

• Температура.

• Теплоёмкость.

• Сжимаемость.

• Упругость.

2.Плотность воздуха.

Плотность ρ характеризует массу воздуха, содержащегося в единицу объема

ρ=m/W

ц-ето объем занимаемый воздухом.

3.Относительная плотность воздуха.

 = н/0, где н и 0 – плотности на заданных высотах.

4.Температура.

Температура характеризует состояния теплового равновесия системы и является мерой кинетической энергии молекул.

Температура является мерой кинетической энергии молекул. Абсолютная температура Т и связана она с t – Т = 273 + t.

5.Сжимаемость и упругость воздуха.

Сжимаемость характеризует свойство воздуха изменять свой объём и плотность при изменении температуры и давления.

Упругость свойство воздуха возвращаться в исходное состояние после прекращения действия сил, вызывавших его деформацию. Для воздуха такой деформацией может быть только деформация его объёма при всесторонним сжатии.

Свойство сжимаемости и упругости воздуха проявляются в том, что всякое возмущение в нём, т.е. местное сжатие распр. в виде очень малых возмущений – колебаний давления и плотности. Эти колебания происходят со звуковыми частотами и распр. в виде волн со скоростью звука.

6.Вязкость и динамическая вязкость воздуха.

Вязкость (внутреннее трение) - характеризует св-ва воздуха оказывать сопротивление относительно перемещению своих частиц а также перемещение воздухе твердого тела. Причина вязкости - взаимодействие молекул при их хаотическом движении

Вязкость проявляется в том, что при сдвиге соседних слоев воздуха возникает сила F (сила трения), противодействующая сдвигу. Она определяется уравнением F=μ(dv/dy)*S

мю-коэффицент пропорциональности называемый динамической вязкостью, и измеряется в Н с/м²

дв/ду - градиент изменения скорости слоя в направлении перпендикулярном скорости движения воздуха, 1/с.

S - площадь слоя для которого рассчитывается сила трения м²

Представим себе две пластины, между которыми находится слой вязкого воздуха. Если одна из пластин начинае двигаться со скорость v₀ то этой же скоростью будет обладать и слой воздуха, непосредственно прилегающий к пластине. Каждый следующий слой в результате вязскости(трения между слоями) приобретает меньшую скорость. Слой, прилегающий к неподвижной пластинке, остается неподвижным. В этом случае сила F, которую необходимо приложить к пластинке, чтобы заставить её двигаться со скоростью v₀ определяется как F, равное

F=μ₀(v₀/l)S

7.Международная стандартная атмосфера (МСА).

Необходимость сравнения испытаний ЛА, Проводимых в различных условиях привела к созданию математической модели условной атмосферы. В соответствии с этой моделью по высоте атмосфера делится на несколько слоев, в пределах которых температура измеряется по определенным закономерностям, довольно близко совпадающим с законом изменения по высоте среднегодовых значений температуры на средних широтах и в летнее время(см. рис4). Эти слои называются: тропосфера(изменение, поворот), стратосфера(слой), мезосфера(средний или промежуточный), термосфера(теплота, жар), экосфера(вне или наружу).

Сравнительно тонкие слои атмосферы, толщина которых, измеряется десятками и сотнями метров, отделяющие друг от друга основные слои атмосферы называется соответственно: тропопаузой, стратопаузой, мезопаузой.

Единая для всех государств международная стандартная атмосфера - это условная атмосфера(модель), в которой распределение давления по высоте в поле силы тяжести получается из дифф. уравнения гидростатики

dp=-ρgdh при определнных предположениях о распределении температуры по вертикали. В этом уравнение dp - дифф. давления, ρ плотность воздуха, g - ускорение свободного падения, dh - дифф. высоты.

Так как воздух сжимаем, его плотность зависит от его давления и температуры, в соответствии с уравнением Менделеева-Клаперона.

ρ=p/RT

С учетом приведенной зависимости, дифф. уравнение гидростатики можно проинтегрировать, если известен характер изменения температуры с изменением высоты.

В МСА как видно из рисунка 4 принята кусочно-линейная максимация изменения температуры, то есть в пределах каждого фрагмента, градиент изменения температуры, с высотой предполагается постоянным. При этом условии результат интегрирования дифф. уравнения гидростатики получается в виде формулы:

p=p*[1+α/T(h-h*)^(g/αR)

где h* - начинается рассма слой

T* и p* - температуры и давление на етой высоте

α - градиаент изменения температуры с изменением высоты со своим знаком(минус, если температуры с увеличением высоты убывает, и плюс - если возрастает)

Для случая α=0, т.е. градиаент = 0, когда температура с изменением высоты не изменяется. Интегрирование уравнения гидростатики дает другу зависимость

p=p*e^-g/RT*(h-h*)

В МСА за начало отсчета высоты принят уровень мирового океана при следующих нормальных условиях: ускорение свободного полета g₀=9,807м/с², р₀=101325Па(760 мм.рт.ст.), T₀=288б15К(t=15С) ρ₀=1,225кг/м³, ск.звука а₀=340м/с.

Параметры МСА(изменение температуры и давления воздуха), для малых высот, на которых летают вертолеты и самолеты, приведены на рис5. Здесь же приведены данные о распределении среднегодовых значений температуры. t(н)_мах, t(н)_мин. Все расчеты проводятся при проектировании летательных аппаратов для условий МСА, что позволяет сравнить результаты расчетов и летных испытаний нескольких ЛА проводимых в различных условиях и различных климатических пояс. Затем результаты испытаний пересчитываются на параметры МСА, таким образом все ЛА помещаются в одинаковые условия - условия МСА.

8.Влияние ветра на полёт и конструкцию самолёта.

Действительное распределение давления в атмосфере Земли, отличается от предполагаемого распределения предпринятого в неподвижной атмосфере описываемой МСА. Различие давлений в отдельных точках атмосферы вызывают движение воздуха - ветер. Движение воздуха в атмосфере поддерживается неравномерным её нагревом солнечным излучением. Оно имеет случайный характер. В тропосфере происходит очень интенсивное вертикальное перемешивание воздуха. Вертикальные скорости достигают до 15 метров в секунду в облаках и до 50м/с в грозовом фронте. На высотах 8-10км, где обычно пролегают траектории полетов пассажирских самолетов, возникает струйное течение со скоростями от 10 до 30 м/с, а это составляет ураганный ветер. Таким образом полет проходит турбулентной(от лат. turbulentus - бурный, беспокойный), неспокойной атмосфере.

В стратосфере также происходит интенсивная циркуляция(круговращение) воздуха с резкими ветрами, образуются горизонтальные струйные течения, со скоростями от 50 до 150 м/с и шириной 100км.

9.Болтанка.

Полет в турбулентной атмосфере обуславливает колебательный характер траектории самолета - линии описываемые в пространстве центром масс самолета,(центр масс ето точка приложения равнодействующей гравитационных сил), Колебания центра масс самолета и угловые колебания самолета относительно центра масс - болтанку. При попадании самолета, из нисходящего потока в высходящий, где вертикальная скорость воздуха превышает 20-30 м/с, возможен резкий занос самолета вверх, причем этот занос может составлять от 1 до 2 км. Это приводит к резкому увеличению нагрузок, действующих на конструкцию самолет. В исключительных случаях самолет может разрушиться.

Болтанка вызывает в конструкции самолета постоянно действующие знакопеременные нагрузки. При полете самолета в болтанку, отдельные эл-ты конструкции растягиваются, сжимаются, изгибаются. В результате материал конструкции «устает», в элементах конструкции возникают микротрещины, которые растут от полета к полету и в конечном итоге могут привести, к так называемому усталостному разрушению конструкции. Полет в болтанку утомляет пассажиров и экипаж, болтанка мешает точно пилотировать самолет, возникает опасность потери управляемости. Болтанка нарушает спектр потока воздуха, подходящего к воздухозаборникам двигателя, что создает угрозу их самовыключения. При разработке конструкции и компановке самолета необходимо учитывать ето явление:

-предусматривать различные меры, повышающие усталостную прочность конструкции;

-создавать безопасно повреждаемые конструкции, в которых разрушение одного или нескольких элементов не ведет к катастрофическим последствиям;

-обеспечить возможность надежно визуального или инструментального контроля состояния конструкции, позволяющего обнаруживать трещины при предполетным осмотре.

10.Влияние солнечного излучения и радиационных полей поясов Земли на ЛА.

Атмосфера Земли подверженна постоянному воздействию излучения Солнца и магнитного поля Земли. Солнечное излучение характеризуется качественными и количественными характеристиками отдельных областей его спектра: ультрафиолетовой, рентгеновской, видимой и инфракрасной.

Воздействие солнечного излучения существенным образом влияет на физико-механические характеристики материалов, из которых изготовлен самолет: растрескиваются лакокрасочные покрытия, защищающие конструкцию от коррозии; теряет упругие свойства резина в различных уплотнениях, ухудшается прозрачность иллюминаторов.

Процессы, происходящие в ионосфере Земли под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца, рентгеновского излучения солнечной короны, солнечных корпускулярных потоков и космических лучей влияют на кач-во радиосвязи. С увеличением высоты полета ЛА возрастает уровень неблагоприятного воздействия этих факторов на экипаж, конструкцию и системы радиоэлектронного оборудования ЛА.

Полет ЛА и в пределах радиационных поясов Земли и в космическом пространстве требует специальной радиационной защиты экипажа и элементов оборудования.

11.Влияние влажности и химического состава воздуха на конструкцию ЛА.

Пары воды, находящиеся в воздухе, содержат соли, кислоты, щёлочи, которые вызывают коррозию элементов конструкции самолёта. В результате тонкостенные элементы конструкции могут быть значительно повреждены и в следствии чего могут разрушиться от нагрузки.

Применение в конструкции самолёта различных металлов требует специальных эффективных мер защиты от коррозии – нанесение на конструкцию специальных плёнок. Проблемой является защита от коррозии конструкции гидросамолётов, базирующихся на морских акваториях. Влага, попадая внутрь конструкции самолета может скапливаться в различных местах, вызывая коррозию конструкции изнутри. Поэтому необходимо предусматривать различные мероприятия, препятствующие скоплению влаги внутри конструкции и облегчающие её удаления внутри конструкции.

12.Влияние озона на элементы конструкции и экипаж ЛА.

Образуется в стратосфере под действием ультрафиолетовой солнечной радиации, является очень сильным окислителем, оказывающим неблагоприятное воздействие на металлические и неметаллические материалы. При длительных полетов летательного аппарата в стратосфере необходимо решать проблемы обеспечения безопасности экипажа в кабине и пассажиров в салоне, вентилируемых воздухом непосредственно из окружающей среды, т.к. озон относится к числу веществ чрезвычайно токсичных для человеческого организма.

13.Влияние обледенения на полёт самолёта.

При полете самолета в тропосфере и в нижних слоях стратосферы, то есть слоях с низкой температурой окружающего воздуха, в условиях повышенной влажности на поверхности самолета образуется слой льда - происходит облединение. Особенно интенсивно лед образуется на передних кромках крыла, оперениях, воздухазаборниках двигателей, остеклениях кабин. Если не бороться с этим явлением, слой льда быстро растает, и на передних кромках крыла и оперениях толщина льда может достигнуть 5-10см. Отложение льда не только увеличивает массу самолета, но и резко ухудшают обтекание его воздушным потоком, полет становится невозможным. Поэтому в конструкции всех современных самолетов предусмотрены противооблединительные системы, обеспечивающие защиту элементов конструкции от образования льда.

14.Влияние электрических явлений на полёт самолёта.

При полете в результате трения о поверхность самолета воздуха, капель воды, пыли, отдельные части самолета заряжаются статическим электричеством. Разность потенциалов между отдельными частями самолетов может достигать несколько тысяч вольт. Поэтому возможен электрический разряд между элементами конструкции и как следствие пожар на борту самолета. Кроме того разность потенциалов отдельных частей приводит к электрохимической коррозии и создает помехи в работе пилотажного навигационного оборудования. На стрелке самолета и в полете возможно также попадание в него молнии. Проектировщик обязан предусмотреть и эти явления и принять соответствующие меры обеспечивающие надежную работу конструкции и оборудования.

15.Влияние биосферы на полёт самолёта.

Необходимо учитывать взаимодействие самолета с живыми организмами, населяющими нижнюю часть атмосферы: микробы, бактерии, насекомые. Они могут наносить существенные повреждения деталям самолетам, выполненных из неметаллических материалов. Чаще всего это проблема решается правильным выбором материалов, с учетом климатических условий, в которых будет эксплуатироваться самолет.

Однако есть проблема которая требует специальных конструкторских мероприятий: это встреча летящего самолета с птицей. Ежегодно в мире происходит до 2000 столкновений самолета с птицами. При высокой скорости полета столкновение с птицей эквивалентно удару артиллерийного снаряда, поэтому форма, конструкция каркаса остекления, само остекление кабины экипажа помимо прочих требований должны удовлетворять и требованию «птицестойкости», т.е. способности самолета выдержать столкновение с птицей без катастрофических последствий. Необходимо также обеспечивать защиту двигателя самолета от разрушения в случае попадания птицы в воздухозаборник. В зоне аэродрома могут быть предприняты меры для отпугивания птиц. Вне зоны аэродрома вероятность столкновения с птицей достаточно велика.

Проектировщик должен уметь учитывать множество таких явлений которые часто очень трудно формализовать, то есть выразить их в виде какой-либо математической зависимости, поэтому опыт инженерной интуиции проектировщика, грамотно и тонко проведенный эксперимент позволяет обеспечить надежную работу летательного аппарата в неблагоприятных для него условиях естественно внешней среды.