航空迷:航空航天知識科普—標準大氣及高度與壓強的對應關係

2020-12-04 航空航天迷

上次小航和大家分享了溫度、密度、壓力三個參數與高度之間存在什麼樣的關係,我們明白了三個參數隨高度變化的原因。在上次文章的最後呢,我們提到可以採用壓強作為高度測量的輸入,這樣我們就可以通過測量該高度的壓強來得到高度了,這也就是氣壓式高度表它的測量原理。

那麼這節課我們就來看一下,高度和壓強之間具有怎樣的一一對應的關係呢?前面我們提到一種大氣狀態叫做標準大氣,首先我們先來介紹一下什麼樣的大氣是標準大氣。

標準大氣

什麼是標準大氣呢?因為我們飛機的飛行性能和大氣數據儀表的指示,都與大氣狀態的基本參數有密切的聯繫,為了便於比較飛機的性能和設計大氣數據儀表,必須以一定的大氣狀態為標準。這種標準狀態,通常取某一特定地區的氣溫、氣壓和空氣密度的平均值,加以適當修訂後選定的,處於這種狀態的大氣我們把它稱為標準大氣。

目前各國通用的標準大氣是:

(3)對流層內氣溫的垂直遞減率為6.5℃/km,,對流層頂界11 km處溫度下降為-56.5℃;在平流層25km以下,氣溫不隨高度變化,高度超過25km時,高度升高,氣溫逐漸上升,氣溫的垂直遞升率為1℃/km。

大氣壓力PH和高度之間的關係

為求得大氣壓力PH和高度之間的關係,也就是衡量氣壓隨高度升高而變化的程度,一般用一個高度單位所引起的氣壓變化量——垂直氣壓梯度來衡量。我們在周圍的大氣選取一個底面積為S的空氣柱,在這個空氣柱裡面選取一個高度為dH的薄空氣層,我們對這個薄空氣層進行受力分析。我們這個薄空氣層在空氣中上表面和下表面都會受到大氣壓力的作用,上表面和下表面大氣壓力之差dH再乘以底面積S就是我們這個薄空氣層它所受到的大氣壓給它的力,即:

除了這個力,我們這個的薄空氣層還受到什麼力呢?是不是重力,重力怎麼計算呢?體積乘以密度再乘以重力加速度,也就是:

我們這個薄空氣層是處於靜力平衡狀態,所以這兩個力是大小相等,方向相反的,我們可以寫出它的受力平衡方程式:

我們對這個式子進行整理,兩邊消去S,整理得到:

其中:R為標準大氣常數;T為溫度它是隨著高度的變化而不斷的變化的。

即得到氣壓和高度關係的基本微分方程。

我們今天的分享就到這裡,你明白了什麼是標準大氣及壓力與高度之間的函數關係是怎樣的出來的了嗎?那麼我們根據在這個原理的基礎上怎樣進一步計算設計出氣壓式高度表呢?我們下次繼續分享。

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