Международная стандартная атмосфера ( ISA ) — это статическая атмосферная модель того, как давление , температура , плотность и вязкость атмосферы Земли изменяются в широком диапазоне высот или возвышенностей . Она была создана для обеспечения общей ссылки для температуры и давления и состоит из таблиц значений на различных высотах, а также некоторых формул, по которым эти значения были получены. Международная организация по стандартизации (ISO) публикует ISA в качестве международного стандарта , ISO 2533:1975. [1] Другие организации по стандартизации , такие как Международная организация гражданской авиации (ICAO) и правительство США , публикуют расширения или подмножества той же самой атмосферной модели под своим собственным полномочием по разработке стандартов.
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, полученных из:
на каждой геопотенциальной высоте, где g — стандартное ускорение силы тяжести , а R — удельная газовая постоянная для сухого воздуха (287,0528Дж⋅кг −1 ⋅К −1 ). Решение дается барометрической формулой .
Плотность воздуха должна быть рассчитана для решения проблемы давления и 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 градиенте 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 : температура 15 °C (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/куб. фут). Тропосферная таблица продолжается до 11 000 метров (36 089 футов), где температура упала до −56,5 °C (−69,7 °F), давление до 22 632 паскалей (3,2825 фунтов на квадратный дюйм), а плотность до 0,3639 килограмма на кубический метр (0,02272 фунта/куб. фут). Между 11 км и 20 км температура остается постоянной. [ 3] [4]
В приведенной выше таблице геопотенциальная высота рассчитывается с помощью математической модели, которая корректирует высоту с учетом изменения силы тяжести с высотой, в то время как геометрическая высота представляет собой стандартное прямое вертикальное расстояние над средним уровнем моря (СУМ). [2]
Обратите внимание, что приведенные в таблице значения градиента температуры указаны в °C на километр геопотенциальной высоты, а не геометрической высоты.
Модель ISA основана на средних условиях в средних широтах, определенных техническим комитетом ISO TC 20/SC 6. Она периодически пересматривалась с середины XX века.
ISA моделирует гипотетический стандартный день , чтобы обеспечить воспроизводимую инженерную ссылку для расчета и тестирования производительности двигателя и транспортного средства на различных высотах. Она не предоставляет строгой метеорологической модели фактических атмосферных условий (например, изменения барометрического давления из-за ветровых условий ). Она также не учитывает влияние влажности ; предполагается, что воздух сухой и чистый и имеет постоянный состав. Влияние влажности учитывается в анализе транспортного средства или двигателя путем добавления водяного пара к термодинамическому состоянию воздуха после получения давления и плотности из стандартной модели атмосферы.
Нестандартные (жаркие или холодные) дни моделируются путем добавления определенной дельты температуры к стандартной температуре на высоте, но давление берется как стандартное дневное значение. Плотность и вязкость пересчитываются при результирующей температуре и давлении с использованием уравнения состояния идеального газа. Профили температуры жаркого дня, холодного дня, тропического и полярного дня с высотой были определены для использования в качестве эталонов производительности, таких как MIL-STD-210C Министерства обороны США и его преемник MIL-HDBK-310. [6]
Международная организация гражданской авиации (ИКАО) опубликовала свою «Стандартную атмосферу ИКАО» в документе Doc 7488-CD в 1993 году. Она имеет ту же модель, что и ISA, но расширяет диапазон высот до 80 километров (262 500 футов). [7]
Стандартная атмосфера ИКАО, как и ISA, не содержит водяного пара.
Вот некоторые из ценностей, определенных ИКАО:
Авиационные стандарты и правила полетов основаны на Международной стандартной атмосфере. Указатели воздушной скорости калибруются, исходя из предположения, что они работают на уровне моря в Международной стандартной атмосфере, где плотность воздуха составляет 1,225 кг/м 3 .
Физические свойства стандартной атмосферы ИКАО: [8]
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 [9] и была обновлена в 1962, [5] 1966, [10] и 1976 годах. [11] Стандартная атмосфера США, Международная стандартная атмосфера и стандартные атмосферы ВМО (Всемирной метеорологической организации) совпадают с Международной стандартной атмосферой ИСО для высот до 32 км. [12] [13]
NRLMSISE-00 — это более новая модель атмосферы Земли от земли до космоса, разработанная Лабораторией военно-морских исследований США с учетом фактических данных о сопротивлении спутников. Основное применение этой модели — помощь в прогнозировании спада орбиты 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 более новая модель атмосферы Земли от 120 км до 2000 км, разработанная Космическим командованием ВВС США и Отделом космических технологий с учетом реалистичного солнечного излучения и временной эволюции геомагнитных бурь. [14] Она наиболее полезна для расчета снижения орбиты спутника из-за атмосферного сопротивления . И CIRA 2012, и ISO 14222 рекомендуют JB2008 для плотности массы при использовании сопротивления. [ требуется ссылка ]
...стандартная атмосфера ISO (Международная организация по стандартизации), 1972. Эта модель идентична нынешним стандартным атмосферам ICAO (Международная организация гражданской авиации) и WMO (Всемирная метеорологическая организация) до высоты 32 км
