Международные стандартная атмосфера ( МС ) является статической моделью атмосферы того , как давление , температура , плотность и вязкость из атмосферы Земли изменения в широком диапазоне высот или возвышений . Он был создан для обеспечения общей справочной информации 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 (ИКАО) и правительство США , публикуют расширения или подмножества одной и той же атмосферной модели 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, полученных из:
- вертикальный градиент давления, возникающий в результате гидростатического баланса , который связывает скорость изменения давления с геопотенциальной высотой:
- , а также
- закон идеального газа в молярной форме, которая связывает давление , плотность и температуру :
на каждую геопотенциальную высоту, где г является стандартным ускорением силы тяжести , а R удельным является удельным газовым постоянным для сухого воздуха.
Плотность воздуха должна быть рассчитана для определения 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 разных 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 к стандартным средним значениям уровня моря 15 ° C ( 59 ° F), давление 101,325 паскалей (14,6959 фунтов на квадратный дюйм) (1 атм ) и плотность 1,2250 кг на кубический метр (0,07647 фунта / куб фут). Таблица тропосферы продолжается до 11000 метров (36089 футов), где температура упала до -56,5 ° C (-69,7 ° F), давление до 22632 паскалей (3,2825 фунтов на квадратный дюйм), а плотность до 0,3639 кг на кубический метр (0,02272). фунт / куб. фут). Между 11 км и 20 км температура остается постоянной. [3] [4]
Слой | Название уровня | Базовая геопотенциальная высота над уровнем моря [5] ч (м) | Базовая геометрическая высота над уровнем моря [5] z (м) | Интервальная скорость (° С / км) [а] | Базовая температура T (° C) | Базовое атмосферное давление p (Па) | Базовая плотность атмосферы ρ (кг / м 3 ) |
---|---|---|---|---|---|---|---|
0 | Тропосфера | -610 | -611 | -6,5 | +19,0 | 108 900 (1,075 атм) | 1,2985 |
1 | Тропопауза | 11 000 | 11 019 | 0,0 | -56,5 | 22 632 | 0,3639 |
2 | Стратосфера | 20 000 | 20 063 | +1,0 | -56,5 | 5474,9 | 0,0880 |
3 | Стратосфера | 32 000 | 32 162 | +2,8 | -44,5 | 868,02 | 0,0132 |
4 | Стратопауза | 47 000 | 47 350 | 0,0 | −2,5 | 110,91 | 0,0020 |
5 | Мезосфера | 51 000 | 51 413 | -2,8 | −2,5 | 66,939 | |
6 | Мезосфера | 71 000 | 71 802 | -2,0 | -58,5 | 3,9564 | |
7 | Мезопауза | 84 852 | 86 000 | - | -86,28 | 0,3734 |
- скорость падения приведено на километр геопотенциальной высоты (Положительный температурный градиент (λ> 0) означаеттемпература растет с высотой)
В приведенной выше таблице геопотенциальная высота рассчитывается на основе математической модели, которая регулирует высоту с учетом изменения силы тяжести с высотой, в то время как геометрическая высота является стандартным прямым вертикальным расстоянием над средним уровнем моря (MSL). [2] Обратите внимание, что интервалы времени, указанные в таблице, указаны в градусах Цельсия на километр геопотенциальной высоты, а не геометрической высоты.
Модель ISA основана на средних условиях в средних широтах, как это определено техническим комитетом ISO TC 20 / SC 6. С середины ХХ века он периодически пересматривался.
Использование в нестандартных дневных условиях
ISA моделирует гипотетический стандартный день, чтобы обеспечить воспроизводимый технический справочник для расчета и тестирования характеристик двигателя и транспортного средства на различных высотах. Он не обеспечивает точной метеорологической модели реальных атмосферных условий (например, изменений атмосферного давления из-за ветровых условий ). Он также не учитывает влияние влажности ; воздух считается сухим, чистым и постоянного состава. Эффекты влажности учитываются при анализе транспортного средства или двигателя путем добавления водяного пара к термодинамическому состоянию воздуха после получения давления и плотности из стандартной модели атмосферы.
Нестандартные (горячие или холодные) дни моделируются путем добавления заданной температурной дельты к стандартной температуре на высоте, но за стандартное дневное значение берется давление. Плотность и вязкость пересчитываются при результирующих температуре и давлении с использованием уравнения состояния идеального газа. Профили температуры в жаркий, холодный, тропический и полярный день с высотой были определены для использования в качестве эталонов производительности, например, MIL-STD-210C Министерства обороны США и его преемника MIL-HDBK-310. [6]
Стандартная атмосфера ИКАО
Международная организация гражданской авиации (ИКАО) опубликовала свою «Стандартную атмосферу ИКАО» как 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 значений, определенных ИКАО:
Высота, км и фут | Температура ° C | Давление гПа | Погрешность ° C / 1000 футов |
---|---|---|---|
0 км MSL | 15.0 | 1013,25 | −1,98 (тропосферный) |
11 км 36000 футов | -56,5 | 226,00 | 0,00 (стратосферное) |
20 км 65000 футов | -56,5 | 54,70 | +0,3 (стратосферное) |
32 км 105000 футов | -44,5 | 8,68 |
Авиационные стандарты и правила полетов основаны на Международной стандартной атмосфере. Индикаторы 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 .
Другие стандартные атмосферы
Стандарт США Атмосфера представляет собой набор моделей , которые определяют значения для атмосферной температуры, плотности, давления и других свойств в широком диапазоне высот. Первая модель, на основе существующего международного стандарта, был опубликован в 1958 году Комитетом США по на внутренней линии к стандартной атмосфере, [8] и был обновлен в 1962 году [5] 1966, [9] и 1976 г. [10] Стандартная атмосфера США, Международная стандартная атмосфера и стандартные атмосферы ВМО (Всемирная метеорологическая организация) такие же, как и Международная стандартная атмосфера ISO для высот до 32 км. [11] [12]
NRLMSISE-00 - это новая модель атмосферы Земли от земли до космоса, разработанная Лабораторией военно-морских исследований США с учетом фактических данных о сопротивлении спутника. Основное использование этой модели состоит в том, чтобы помочь в прогнозировании уменьшения орбиты спутника из-за сопротивления атмосферы . COSPAR International Reference Atmosphere (CIRA) 2012 и стандарт плотности земной атмосферы ISO 14222 рекомендуют NRLMSISE-00 для использования в составе.
JB2008 - это более новая модель атмосферы Земли от 120 до 2000 км, разработанная космическим командованием ВВС США и Space Environment Technologies с учетом реалистичного солнечного излучения и временной эволюции геомагнитных бурь. Это наиболее полезно для расчета убывания орбиты спутника из-за сопротивления атмосферы . Международная эталонная атмосфера COSPAR (CIRA) 2012 и стандарт плотности земной атмосферы ISO 14222 рекомендуют JB2008 для определения массовой плотности при перетягивании.
В стандартных условиями являются образцом температуры и давления газа , используемой в химии .
Смотрите также
- Акронимы и сокращения в авионике
- Плотность воздуха
- Стандартная атмосфера Jet
Рекомендации
- ^ Международная организация по стандартизации , стандартная атмосфера , ISO 2533: 1975, 1975.
- ^ a b Гьятт, Грэм (14 января 2006 г.): «Стандартная атмосфера». Архивировано 10 марта 2007 г. в Wayback Machine . Математическая модель стандартной атмосферы США 1976 года.
- ^ Auld, DJ; Шринивас, К. (2008). «Свойства атмосферы» . Архивировано из оригинала на 2013-06-09 . Проверено 13 марта 2008 .
- ^ Бэтчелор, Г.К., Введение в динамику жидкости , Кембриджский университет. Пресс, 1967.
- ^ a b c Стандартная атмосфера США, 1962 г., Типография правительства США, Вашингтон, округ Колумбия, 1962 г.
- ^ Mathworks atmosnonstd
- ^ Руководство по стандартной атмосфере ИКАО (расширено до 80 километров (262 500 футов)) (Третье изд.). Международная организация гражданской авиации . 1993. ISBN 92-9194-004-6. Doc 7488-CD.
- ^ Расширение США до стандартной атмосферы ИКАО, Типография правительства США, Вашингтон, округ Колумбия, 1958
- ↑ Стандартные дополнения к атмосфере США, 1966, Типография правительства США, Вашингтон, округ Колумбия, 1966.
- ^ Стандартная атмосфера США , 1976, Типография правительства США, Вашингтон, округ Колумбия, 1976 (связанный файл - 17 МБ)
- ↑ НАСА , "Стандартная атмосфера США 1976". Архивировано 13 мая2006 г. на Wayback Machine.
- ^ Tomasi, C .; Витаке, В .; Де Сантис, LV (1998). «Функции относительной оптической массы воздуха, водяного пара, озона и диоксида азота в атмосферных моделях, представляющих различные широтные и сезонные условия». Метеорология и физика атмосферы . 65 (1): 11–30. Bibcode : 1998MAP .... 65 ... 11T . DOI : 10.1007 / BF01030266 .
… Стандартная атмосфера ISO (Международной организации по стандартизации), 1972 г. Эта модель идентична существующим в настоящее время Стандартным атмосферам ИКАО (Международной организации гражданской авиации) и ВМО (Всемирной метеорологической организации) на высоте до 32 км.
- Дэвис, Марк (2003). Стандартный справочник для инженеров авиации и космонавтики . Нью-Йорк: Макгроу-Хилл. ISBN 0-07-136229-0.
- Справочные заметки NASA JPL
- ИКАО, Руководство по стандартной атмосфере ИКАО (расширенное до 80 км (262 500 футов)) , Doc 7488-CD, третье издание, 1993 г., ISBN 92-9194-004-6 .
Внешние ссылки
- Онлайн-калькулятор стандартной атмосферы 1976 года с генератором таблиц в графическом формате.
- Многоязычный калькулятор окон, который вычисляет атмосферные (стандартные и нестандартные!) Характеристики в соответствии с «стандартной атмосферой 1976 года» и преобразует различные воздушные скорости (истинные / эквивалентные / откалиброванные) в соответствии с соответствующими атмосферными условиями.
- Бесплатная версия Android для полной модели международной стандартной атмосферы
- Калькулятор стандартной атмосферы NewByte и конвертер скорости
- Калькулятор атмосферы ИКАО
- Стандарты ИКАО
- Полный калькулятор ISA (модель 1976 г.)
- Исходный код JB2008 и ссылки