第三章 航空器活动的环境与空中导航
本章学习目标
ü 了解大气层的组成及对流层和平流层中大气的基本特性；
ü 了解大气环境对飞行安全的影响；
ü 了解空气流动的基本规律；
ü 熟悉飞机上的各种作用力；
ü 掌握飞机升力产生的原理；
ü 了解飞机的基本操纵。
教学方法：
讲授法、案例分析法、视频播放相结合的启发式教学方法。
教学内容：
民航飞机在空气当中飞行，就像船舶在海洋当中航行一样，空气性质的变化和气象现象的影响就直接关系到在飞机上产生的空气动力的大小。飞机的空气动力包括了升力和阻力，这两种空气动力都是空气和飞机出现相对运动时产生的。飞机的操纵也是通过改变升力和阻力的大小，从而维持或改变飞机的飞行状态。
第一节 大气环境介绍
包裹在地球表面的一层空气，叫做大气层，简称大气。如果形象的将地球看成一个苹果，大气层的厚度就相当于一层苹果皮。大气层像地球的外衣，保护了地球上的生命免受来自外层空间的宇宙射线的危害，避免了地表温度的剧烈变化和地表环境中水分的散失。由于地心引力的作用，大气中几乎全部气体都集中在距离地面100公里的高度范围内。随着海拔高度的增加，大气的密度、气压、温度等性质都会出现相应的变化。民航飞机在大气中飞行，飞行性能就会直接受到这些变化带来的影响。比如伴随着机场的高度增加或机场温度的升高，空气密度下降，飞机发动机的功率也会随之减弱，飞机起飞滑跑时的加速度减小，起飞滑跑距离增加。所以，在研究飞机的基本飞行原理之前，要先了解大气环境的基本知识。
一、大气的组成成分
大气是一种混合物，由干洁空气、水蒸气和尘埃颗粒组成。干洁空气的主要成分是氮气和氧气。如图3-1所示，若按照体积计算，大气中的氮气约占78%，氧气约占21%，其余的1%是氩气、二氧化碳、氖气等其他气体。
水蒸气来源于地表江河湖海水分的蒸发和植物的蒸腾作用。水蒸气的密度小于干洁空气的密度，所以往往空气的湿度越大，空气密度越小，对飞机产生的空气动力和发动机的功率影响较大。同时，水蒸气又是成云致雨的物质基础，在气象中扮演了重要的角色。
大气中的尘埃颗粒又叫大气杂质，是指悬浮在大气当中的固体微粒或水汽凝结物。固体微粒大部分来自于地球表面，如沙漠中的沙粒、海水中的盐粒、花粉、烟尘和汽车排放的尾气等。水汽凝结物包括大气中的水滴和冰粒。这些大气杂质常常聚集在一起，形成各种天气现象。
二、大气层的结构
依据大气温度随高度变化的规律，大气层的结构可以分为对流层、平流层、中间层、电离层和散逸层五层。
（一）对流层
对流层是大气中最低的一层空气，是大部分飞行活动的范围。对流层的底界是地面，顶界随着纬度和季节的不同而发生变化。对流层的厚度在赤道地区最大，平均厚度为16km，在极地地区则降低到8km，而在中纬度地区，对流层的厚度平均约为11km。在同一地区，对流层的厚度在夏季大于冬季。
对流层中空气的温度来源是地表反射的太阳辐射，所以随着海拔高度的升高，对流层空气的温度逐渐降低，空气温度的递减规律为海拔高度每升高1km，空气温度降低6.5。基于这样的原因，对流层中低层的空气温度高密度小，而上层的空气温度低密度大，就导致低层空气具备上升的趋势，上层空气有下沉的趋势，形成了空气的上下对流，这也是对流层名称的由来。由于地表地形地貌的不同和太阳对地表照射程度不一，地面各地区空气气温和密度不相同，气压也不相等，即使同一地区，气温、气压也常会发生变化，使大气产生水平方向的对流现象，即形成风，且风向、风速也会经常变化。
另外，在对流层中包含有空气当中90%以上的水蒸气，所以云、雾、降水等天气现象基本上都出现在这一层空气当中。因为地心引力的影响，整个大气层当中约75%的大气质量集中在对流层中。
综上所述，对流层中的空气性质会对飞行造成一系列的影响，例如高空飞行空气温度低，易使飞机表面产生积冰；水平方向的风会使飞行方向和飞行距离发生变化；垂直方向的空气对流会使飞机产生颠簸。
（二）平流层
平流层，也叫同温层，位于对流层之上，它的顶界距离地面约50km。平流层中的下半部空气（大约在20km以下）距离地球表面较远，空气从地面受热减少，但平流层中空气的热量来源主要是臭氧吸收太阳紫外线辐射，使得下半部空气几乎常年保持不变，维持在-56.5。而在20km至50km的高度范围内，平流层中的上层空气温度随高度上升而缓慢增加，大约每上升1km，温度增加1。
对流层顶是平流层和对流层之间的交界部分，它像一个盖子，把对流层中的水蒸气隔离在了对流层顶之下，使得平流层中几乎没有水蒸气。这样，在平流层中就没有各种天气现象的出现。同时，平流层中不存在空气的上下对流，只有水平方向的风，所以是非常适合民航运输机飞行的空间。
在平流层以上的中间层、电离层和散逸层的高度不适于空行运输机的飞行，这里对此三层大气的性质就不在赘述。
三、国际标准大气
国际标准大气（简称ISA），是人为规定的一个不变的大气环境，其中包括了空气温度、密度、气压值等参数随着高度而发生变化的关系，如表3-1所示。国际民航组织会制订这样的一个标准，是为了使得飞机在不同环境下试验得到的试飞性能数据便于计算、整理和比较。在试飞中，同一架飞机在不同地点试飞，会得到不同的性能数据；同一架飞机在相同地点、相同高度试飞，试飞时间和季节的不同也会得到不同的性能数据，国际标准大气的制订，就使得不同的试验数据在计算时有了统一的基准。
国际民航组织在制订国际标准大气参数时，参考北半球中纬度地区大气物理性质的平均值，并加以适当的修正，而这一组数值与我国北纬45°地区的大气非常接近。国际标准大气规定：在海平面处高度为0，气温为15或59，海平面处气压为1013.25hPa（百帕），空气密度为1.225kg/m3，音速为340.29m/s；对流层高度为0至11km，在对流层内高度 每增加1km，气温下降6.5，或高度每增加1000ft，气温下降2，音速随气温的下降而减小；平流层内11km至20km的底部大气温度常年保持-56.5，音速因此保持常数，而在平流层20km至50km的上层大气的温度则随高度升高而增加，音速也随之变大。
四、航空气象要素基础
气象要素是表示大气状态的物理量和物理现象的统称。在气象要素中，往往将大气温度、气压、湿度三种物理量称为三大气象要素，它们都能在一定程度上反映出大气的性质，从而在一定程度上影响飞行器的飞行性能，甚至有时还会对飞行安全造成一定的威胁。
（一）大气温度
大气温度是指空气的冷热程度，是空气分子平均动能大小的宏观表现，反映了空气分子做不规则热运动的激烈程度。通常情况下可以将空气看做是没有粘性的理想气体，此时空气分子的平均动能就是空气的内能，因此大气温度的上升或下降，体现了空气内能的增加或减少。
由于受到太阳辐射强度的变化带来的影响，某一地点的气温呈现出一定周期性的变化规律，即局地气温具有年变化和日变化的周期性规律。气温在一年之中呈现出的年变化，一般具有一个最低值和最高值，见图3-3。在大寒节气前后，气温往往呈现最低值，而在大暑节气前后，气温表现出最高值。气温在一天之中也呈现出日变化的规律，同样具有一个最低值和最高值，一天当中气温最低值一般出现在清晨日出时，最高值出现在当地正午午后2小时左右。
局地气温除了周期性的变化之外，还带有一定的非周期性的变化，主要是大规模冷暖空气运动和阴雨天气带来的影响。例如，在白天出现较大降雨（雪）时，可以使当天气温的最高值与最低值之差减小，甚至可能在晚上出现当天气温的最高值。又如我国江南春季气温不断变暖之时，北方冷空气南下会产生倒春寒，使得气温下降；秋季气温也可能突然回暖，形成“秋老虎”天气，使得气温上升。
气温对飞行器的飞行性能和飞行运行经济性的影响较大，具体表现在以下几个方面：首先，按照气压高度表在同一高度飞行时，空气温度可以使得部分机型（如B747等）飞机的巡航速度变化40km/h以上。其次，在飞行环境中大气温度变化较大时，发动机推力也会呈现显著变化的趋势，当飞机短时间进入暖气团时或进入冷气团时，推力可能相应减小或增大5%至10%之多。再次，理论计算和实践证明，如果气温变化30时，飞机单位时间燃料消耗量变化5%至6%。最后，若环境温度高于同高度处的标准大气温度，机载气压高度表读数低于实际高度值；若环境温度低于同高度处的标准大气温度，机载气压高度表读数高于实际高度值。
（二）气压
大气压强简称气压，是指与大气相接触的面上，空气分子作用在每单位面积上的力。空气对物体表面产生压力的原因有两个：一是上层空气的重力对下层空气造成了压力，即某一高度上空气的压力就是该高度以上的空气柱重力作用的结果。所以在垂直方向上，高度越高时空气柱越短，空气压力相应较低。二是空气分子不规则热运动导致了空气压力的出现。空气分子不规则热运动导致空气分子彼此间相互碰撞，或对容器壁碰撞而产生压力。所以在同一高度上，由于空气温度不同，空气压力的分布也是不均匀的。
常用的度量大气压力的单位有帕（Pa）、毫米汞柱（mmHg）、每平方英寸磅（psi）、每平方厘米千克力（kgf/cm2）等，其中帕为国际计量单位。
通常，人们规定在海平面温度为15时的大气压力为一个标准大气压，表示为1013.25hPa、29.92inHg、760mmHg等。
大气压力一般随高度的升高而降低，如图3-5所示。当飞行高度为5km左右时，该高度气压是海平面气压的一半，如果没有使用任何辅助呼吸工具，人的反应将低于正常水平。在飞行高度接近10km处，该高度气压只有250hPa，因此在高空飞行时，必须配备氧气设备及增压座舱。
（三）空气湿度
大气中的水汽含量是随时间、地点、高度、天气条件在不断变化的。空气湿度是指空气的潮湿程度，通常用相对湿度来表示。
露点是航空气象中一个非常重要的概念。对于给定体积的气体，温度降低，湿度增大，当温度降低到相对湿度为100%时的温度称为露点温度。露点温度表示空气中水分的临界状态。当空气处于未饱和状态时，其露点温度低于大气温度，气温与露点温度之差称为温度露点差。因此，可以通过温度露点差判断空气的饱和程度，温度露点差越小，空气越潮湿。潮湿的空气会导致发动机和飞机的某些金属部件锈蚀，从而降低金属材料的强度，缩短飞机和机载设备的使用寿命，增大使用和维护成本。飞机上的用电设备长时间在潮湿环境中工作，绝缘性能被降低，使得电子元件性能改变，甚至导致故障发生。另外，大气中水蒸气的密度小于干洁空气的密度，大气的湿度变大，会降低大气密度，发动机的性能因此下降，致使飞机的起飞加速力减小，起飞滑跑距离延长。
五、大气环境对民航飞行安全的影响
航空运输作为现代社会五大运输体系之一，它的优势体现在快速、舒适和安全等方面。随着科技水平的不断进步，民航飞行的安全系数也随之不断提升。但是有些恶劣复杂的极端天气环境，如雷暴、积冰、低空风切变、颠簸、低能见度等天气，仍然是飞行安全的重要威胁。
（一）飞机积冰
飞机积冰是指飞机机身表面某些部位产生冰层积聚的现象。当飞机在云中飞行或在降水中飞行时，云中的过冷水滴或降水中的过冷雨滴受到飞机机体撞击后冻结而成的，也可以由水汽在机体表面凝华而成。冬季露天停放的飞机可能会形成机体积冰或结霜。
在一定高度处，云体中会存在温度低于0却仍未冻结的过冷水滴，这种水滴的热力状态不稳定，在受到震动后立即冻结成冰。当机体表面温度低于0的飞机在含有过冷水滴的云中飞行时，过冷水滴受到撞击就会在机体表面形成冻结，出现飞机积冰。所以，飞机积冰首先在飞机外凸处和迎风部位开始，如机翼前缘、尾翼、螺旋桨桨叶、发动机进气道前缘、空速管、天线等。
积冰出现在飞机表面，但冰的类型是不同的：有光滑透明、结构坚实的明冰，除冰设备也很难使之脱落，对飞行安全危害较大；有由粒状冰晶组成的雾凇，表面较为粗糙，结构较松脆，易于清除，对飞行安全危害较小；有表面粗糙不平，结构较为坚固的毛冰，色泽如白瓷；有寒冷水汽在飞机表面直接凝华而成的霜，虽然很薄，但如果在风挡处结霜，会对目视飞行造成影响。
飞机出现积冰后，飞行性能会受到不同程度的影响，具体表现为以下几个方面：
第一，积冰使得飞机气动外形遭到破坏，增加飞机重量，改变重心位置，空气动力性能发生改变。机翼和尾翼处的积冰导致飞机升力减小、阻力增加，若副翼、升降舵、方向舵等操纵翼面前缘处出现积冰，会在翼面偏转时形成卡阻，使飞机操纵发生困难。
第二，螺旋桨桨叶积冰，使得螺旋桨拉力减小。桨叶积冰或机体表面的积冰脱落，会打坏发动机和机身其他部位。若发动机进气道或汽化器积冰，导致发动机进气量减少，降低发动机功率，甚至使发动机停车。
第三，空气压力探测部位积冰，影响空速表和气压式高度表的正常工作，甚至失效。机身表面外凸处的天线积冰，无线电的接受和发射将会受到一定干扰，通讯甚至会因此中断。风挡积冰影响目视，在进场着陆时尤其危险。
（二）低空风切变
风向和风速在特定方向上的变化叫风切变。风向和风速在水平方向的变化叫做水平风切变，在垂直方向的变化叫做垂直风切变。在不同高度处都可能出现风切变，高度在500m以下出现的低空风切变对飞机起落飞行安全的影响很大，曾多次导致严重事故。由于飞机着陆是高度不断降低、速度不断减小的过程，而起飞反之，所以着陆阶段往往受到低空风切变的危害更大。
风切变的表现形式往往以多种形式出现，并以其中一种形式为主。风切变的一般形式有顺风切变、逆风切变、侧风切变和下冲气流切变。
1．顺风切变
如飞机由小顺风区进入到大顺风区；由逆风区进入到顺风区；由大逆风区进入到小逆风区等。顺风切变减小飞机的相对空速，使升力减小，降低飞行高度。在低空进近飞行时，如果顺风切变出现在较低高度，飞行员来不及做出修正，有使飞机出现提前接地的可能，是一种较危险的风切变形式。
2．逆风切变
如飞机由小逆风区进入到大逆风区；由顺风区进入到逆风区；由大顺风区进入到小顺风区等。逆风切变增加飞机的相对空速，增大升力，使飞机高度上升，危害程度与顺风切变相比较小。
3．侧风切变
是飞机从一个方向的侧风区进入到另一个方向的侧风区。如果在飞行中对侧风切变的修正不到位，会使得飞机产生明显的侧滑，造成空气动力的损失，并且飞机会向侧风的上风方向偏转、向下风方向滚转。
4．下冲气流切变
飞机从无明显的升降气流区进入到强烈的升降气流区。下冲气流切变猝发性很强，会导致飞机高度突然下降，对飞行安全有很大的危害。
而下冲气流切变区往往会同时出现逆风切变和顺风切变，如图3-6所示，飞机在着陆过程中遇到下冲气流切变，从A到B的位置提示飞机首先遭遇逆风切变，飞机空速增加，空气动力性能增强；从B到C的位置提示逆风切变改变为下冲气流切变，飞机高度迅速降低至预定下滑线以下；继续向前飞行，飞机则遭遇顺风切变，空速减小，飞行高度进一步降低，若不及时作出修正，则有在到达跑道前接地的危险发生。
一般情况下，产生较强的低空风切变的天气条件包括雷暴、锋面等。有时机场附近山脉较多或地形、地物复杂时，常会引起低空风切变的出现。为了确保飞行安全，目前在有些飞机上已经装备了用于探测低空风切变的设备。
(三)飞机颠簸
飞机在飞行中遇到扰动气流，就会产生颤振、上下抛掷、左右摇晃、飞行员操纵困难、仪表不准等现象，这就是飞机颠簸。轻度颠簸会使得乘员感到不适甚至受伤。颠簸强烈时，短时间内飞机上下抛掷十几次，同时伴有数十米甚至几百米的高度变化，空速变化20km/h以上，飞行员暂时失去对飞机的控制。特别严重时，若颠簸产生的过载高于飞机机体结构强度，还会造成飞机解体，对飞行安全影响极大。
大气中空气的不规则的漩涡运动是造成飞机颠簸的直接原因，空气中气温在水平方向上分布不均、空气流过粗糙不平的地表或绕流障碍物、风切变、飞机飞行时产生的尾涡都会对飞行造成不同强度的颠簸。
颠簸对飞行安全的影响可以分为以下三个方面：其一，颠簸使飞机操纵困难，甚至使飞行员失去对飞机的控制。颠簸使飞机的飞行状态和空气动力性能发生较明显的不规则的变化，从而失去飞机的稳定性。某些仪表的误差在颠簸中被加大，甚至失常，飞行员因此失去对飞机飞行状态的判断，造成操纵困难。其二，强烈颠簸会损害飞机结构，使飞机部件受到损害，严重时造成无法估量的损失。在颠簸状态中飞行，飞机的阻力增大，加大飞机燃料的消耗，航程和飞行时间相应减少。高空飞行时，强烈颠簸甚至会减少飞机发动机的进气量进而造成燃烧室熄火、发动机空中停车。其三，颠簸还会造成飞行人员和乘客的紧张和疲劳，强烈颠簸会使飞机的高度在几秒钟内突然上升或下降数十米至数百米，严重危及飞行安全。
（四）雷暴
雷暴一般是由对流旺盛的积雨云组成，同时伴有阵雨、大风、闪电、雷鸣，有时还出现冰雹、龙卷的中小尺度对流天气系统。
雷暴是一种强烈的对流性天气，由强烈发展的积雨云产生。雷暴过境时的近地面气象要素和天气现象会发生急剧变化，经常给飞机飞行尤其是低空起降造成严重影响。在一般强度的雷暴来临之前，气压下降，地面气温升高，空气湿度变大；在降雨开始后，气温迅速下降，气压开始上升。雷暴的降雨强度较大，虽然降雨持续时间短，但是对能见度的影响较为明显。强雷暴过境时的天气变化要比一般雷暴大得多，除了一般雷暴中具备的天气之外，还有可能出现飑、冰雹、龙卷、暴雨等灾害性天气中的一种或多种。
在雷暴活动区飞行比较危险，可能会遭遇到非常恶劣的飞行环境，例如强烈的颠簸、积冰、闪电、阵雨、恶劣能见度、冰雹、低空风切变等。在飞行过程中，应尽量避免进入雷暴云中，可以选择从雷暴云两侧绕过，在云上或云下通过。目前很多飞机上都配备了气象雷达，可以通过彩色显示屏观察飞机飞行方向区域中的降雨区、冰雹区等强对流天气区域，在显示屏上，大雨用红色来表示，雷暴中的湍流去和冰雹区是用紫色来表示。因此，飞行员可以有效的通过机载气象雷达来回避雷暴，选择更为安全的航路进行飞行。
