stringtranslate.com

Международная стандартная атмосфера

Сравнение графика температуры и давления международного стандарта атмосферы, а также примерных высот различных объектов и успешных прыжков в стратосферу.

Международная стандартная атмосфера ( ISA ) — это статическая модель атмосферы , показывающая, как давление , температура , плотность и вязкость земной атмосферы изменяются в широком диапазоне высот . Он был создан для обеспечения общего эталона температуры и давления и состоит из таблиц значений на разных высотах, а также некоторых формул, по которым эти значения были получены. Международная организация по стандартизации (ISO) публикует ISA как международный стандарт ISO 2533:1975. [1] Другие организации по стандартизации , такие как Международная организация гражданской авиации (ИКАО) и правительство США , публикуют расширения или подмножества одной и той же модели атмосферы под своим собственным органом по разработке стандартов.

Описание

Математическая модель ISA делит атмосферу на слои с предполагаемым линейным распределением абсолютной температуры T в зависимости от геопотенциальной высоты h . [2] Два других значения (давление P и плотность ρ ) вычисляются путем одновременного решения уравнений, следующих из:

, и

на каждой геопотенциальной высоте, где g — стандартное ускорение свободного падения , а R удельный — удельная газовая постоянная для сухого воздуха (287,0528 Дж⋅кг -1 ⋅К -1 ). Решение дается по барометрической формуле .

Плотность воздуха необходимо рассчитать, чтобы определить давление, и она используется при расчете динамического давления для движущихся транспортных средств. Динамическая вязкость является эмпирической функцией температуры, а кинематическая вязкость рассчитывается путем деления динамической вязкости на плотность.

Таким образом, стандарт состоит из таблицы значений на различных высотах, а также некоторых формул, по которым эти значения были получены. Чтобы учесть самые низкие точки на Земле , модель начинается с базовой геопотенциальной высоты 610 метров (2000 футов) ниже уровня моря , со стандартной температурой, установленной на уровне 19 °C. При скорости изменения температуры -6,5 °C (-11,7 °F) на км (примерно -2 °C (-3,6 °F) на 1000 футов) таблица интерполируется до стандартных значений среднего уровня моря 15 °C ( температура 59 ° F), давление 101 325 паскалей (14,6959 фунтов на квадратный дюйм) (1 атм ) и плотность 1,2250 килограмма на кубический метр (0,07647 фунта на кубический фут). Таблица тропосферы продолжается до высоты 11 000 метров (36 089 футов), где температура упала до -56,5 ° C (-69,7 ° F), давление до 22 632 паскаля (3,2825 фунтов на квадратный дюйм), а плотность до 0,3639 кг на кубический метр (0,02272 фунт/куб. футов). На расстоянии от 11 до 20 км температура остается постоянной. [3] [4]

градиент градиента , указанный на километр геопотенциальной высоты (положительный градиент (λ > 0) означает, что температура уменьшается с высотой)

В приведенной выше таблице геопотенциальная высота рассчитывается на основе математической модели, которая корректирует высоту с учетом изменения силы тяжести с высотой, тогда как геометрическая высота представляет собой стандартное прямое вертикальное расстояние над средним уровнем моря (MSL). [2] Обратите внимание, что скорости отклонения, указанные в таблице, даны в °C на километр геопотенциальной высоты, а не геометрической высоты.

Модель ISA основана на средних условиях средних широт, определенных техническим комитетом ISO TC 20/SC 6. С середины 20 века он время от времени пересматривался.

Использование в нестандартных дневных условиях

ISA моделирует гипотетический стандартный день , чтобы обеспечить воспроизводимую инженерную основу для расчета и тестирования характеристик двигателя и транспортного средства на различных высотах. Он не обеспечивает строгую метеорологическую модель реальных атмосферных условий (например, изменений барометрического давления из-за ветровых условий ). Он также не учитывает влияние влажности ; воздух предполагается сухим, чистым и постоянного состава. Эффекты влажности учитываются при анализе транспортных средств или двигателей путем добавления водяного пара к термодинамическому состоянию воздуха после получения давления и плотности из стандартной модели атмосферы.

Нестандартные (жаркие или холодные) дни моделируются путем прибавления заданной дельты температуры к стандартной температуре на высоте, но в качестве значения стандартного дня принимается давление. Плотность и вязкость пересчитываются по результирующим температуре и давлению с использованием уравнения состояния идеального газа. Профили температуры жаркого дня, холодного дня, тропического и полярного дней с учетом высоты были определены для использования в качестве эталонных характеристик, например, MIL-STD-210C Министерства обороны США и его преемник MIL-HDBK-310. [6]

Стандартная атмосфера ИКАО

Международная организация гражданской авиации (ИКАО) опубликовала свою «Стандартную атмосферу ИКАО» под названием Doc 7488-CD в 1993 году. Она имеет ту же модель, что и ISA, но расширяет зону действия по высоте до 80 километров (262 500 футов). [7]

Стандартная атмосфера ИКАО, как и ISA, не содержит водяного пара.

Некоторые из ценностей, определенных ИКАО:

Авиационные стандарты и правила полетов основаны на Международной стандартной атмосфере. Индикаторы воздушной скорости калибруются исходя из предположения, что они работают на уровне моря в атмосфере международного стандарта, где плотность воздуха составляет 1,225 кг/м 3 .

Другие стандартные атмосферы

Стандартная атмосфера США — это набор моделей, которые определяют значения температуры, плотности, давления и других свойств атмосферы в широком диапазоне высот. Первая модель, основанная на существующем международном стандарте, была опубликована в 1958 году Комитетом США по расширению стандартной атмосферы [8] и обновлялась в 1962, [5], 1966, [9] и 1976 годах. [ 10] Стандартная атмосфера США, Международная стандартная атмосфера и Стандартная атмосфера ВМО (Всемирной метеорологической организации) аналогичны Международной стандартной атмосфере ISO для высот до 32 км. [11] [12]

NRLMSISE-00 — это новая модель земной атмосферы от земли до космоса, разработанная Исследовательской лабораторией ВМС США с учетом реальных данных о сопротивлении спутников. Основное использование этой модели – помочь в прогнозировании распада орбит спутников из-за сопротивления атмосферы . Международная эталонная атмосфера COSPAR ( CIRA) 2012 и стандарт плотности атмосферы Земли ISO 14222 рекомендуют NRLMSISE-00 для использования в составе.

JB2008 — это новая модель атмосферы Земли от 120 до 2000 км, разработанная Космическим командованием ВВС США и компанией Space Environment Technologies с учетом реалистичного солнечного излучения и временной эволюции геомагнитных бурь. [13] Это наиболее полезно для расчета затухания орбиты спутника из-за сопротивления атмосферы . И CIRA 2012, и ISO 14222 рекомендуют JB2008 для массовой плотности при использовании тягачей. [ нужна цитата ]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Международная организация по стандартизации , Стандартная атмосфера , ISO 2533:1975, 1975.
  2. ^ Аб Гьятт, Грэм (14 января 2006 г.): «Стандартная атмосфера». Архивировано 10 марта 2007 г. в Wayback Machine . Математическая модель стандартной атмосферы США 1976 года.
  3. ^ Олд, диджей; Шринивас, К. (2008). «Свойства атмосферы». Архивировано из оригинала 9 июня 2013 г. Проверено 13 марта 2008 г.
  4. ^ Бэтчелор, Г.К., Введение в гидродинамику , Кембриджский университет. Пресс, 1967.
  5. ^ abc Стандартная атмосфера США, 1962, Типография правительства США, Вашингтон, округ Колумбия, 1962
  6. ^ Mathworks atmosnonstd
  7. ^ Руководство по стандартной атмосфере ИКАО (расширено до 80 километров (262 500 футов)) (Третье изд.). Международная организация гражданской авиации . 1993. ISBN 92-9194-004-6. Док 7488-CD.
  8. ^ Расширение США к стандартной атмосфере ИКАО, типография правительства США, Вашингтон, округ Колумбия, 1958 г.
  9. ^ Дополнения к стандартной атмосфере США, 1966 г., типография правительства США, Вашингтон, округ Колумбия, 1966 г.
  10. ^ Стандартная атмосфера США, 1976 г., типография правительства США, Вашингтон, округ Колумбия, 1976 г. (размер связанного файла - 17 МБ)
  11. ^ НАСА , «Стандартная атмосфера США 1976». Архивировано 13 мая 2006 г. в Wayback Machine.
  12. ^ Томази, К.; Витаке, В.; Де Сантис, Л.В. (1998). «Относительные оптические массовые функции воздуха, водяного пара, озона и диоксида азота в моделях атмосферы, представляющих различные широтные и сезонные условия». Метеорология и физика атмосферы . 65 (1): 11–30. Бибкод : 1998MAP....65...11T. дои : 10.1007/BF01030266. S2CID  123129752. …Стандартная атмосфера ISO (Международной организации по стандартизации), 1972 год. Эта модель идентична нынешним стандартным атмосферам ИКАО (Международной организации гражданской авиации) и ВМО (Всемирной метеорологической организации) до высоты 32 км.
  13. ^ JB2008

Внешние ссылки