CC BY
12V.I. DEMIDCHENKO, G.M. MASLYAYEVA, Yq.P. KVYATOSH
ГОТОВИМ СПЕЦИАЛИСТОВ ДЛЯ ВЫСОТНОЙ АВИАЦИИ
TRAINING PILOTS FOR HIGH-ALTITUDE AIRCRAFT ВЛАЖНЫЙ ВОЗДУХ. ОБЛЕДЕНЕНИЕ АЭРОДРОМОВ И ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ WET AIR. CONGELATION OF AIRFIELDS AND AIRCRAFT
Сведения об авторах: Демидченко Владимир Иванович - профессор кафедры физики и электротехники Краснодарского высшего военного авиационного училища летчиков имени Героя Советского Союза А.К.Серова, кандидат технических наук, доцент (г. Краснодар. E mail: 929S265500@mail.ru);
Масляева Галина Николаевна - заведующая кафедрой физики и электротехники Краснодарского высшего военного авиационного училища летчиков имени Героя Советского Союза А.К. Серова, кандидат педагогических наук, доцент (г. Краснодар. E-mail: gal-masiyaeua@yandex.ru);
Квятош Елена Пантелеевна - доцент кафедры физики и электротехники Краснодарского высшего военного авиационного училища летчиков имени Героя Советского Союза А.К. Серова, кандидат педагогических наук (г. Краснодар. E-mail: iioyatoshe@mail.ru).
Аннотация. В статье рассмотрены основные физические параметры влажного воздуха: абсолютная и относительная влажность, влагосодержание и плотность. Отражена важность влажности воздуха в авиации, так как она считается существенной характеристикой не талька погоды, но и при прогнозировании состояния взлетно-посадочных полос, их обледенения и обледенения поверхности летательных аппаратов. Затронут также вопрос об образовании облаков.
Ключевые слова: смеси газов, влажный воздух, ненасыщенный влажный воздух, насыщенный влажный воздух, абсолютная влажность, относительная влажность, обледенение, влагосодержание, образование облаков.
Information about the authors: Vladimir Demidchenko- Professor of the Subdepartment of Physics and Electrical Engineering of the Krasnoda r Higher Military Aviation School of Pilots named after Hero of the Soviet Union A.K. Serov. Cand. Sc. (Tech.).Associate Professor (Krasnodar.E-mail:
Galina Maslyayeva - Head of the Subdepartment of Physics and Electrical Engineering of the Krasnodar Higher Military Aviation School of Pilots named after Hero of the Soviet Union AX. Serov, Cand. Sc. (Ped.), Associate Professor (Krasnodar. E-mail: gal-maslyaeva@yandex.ru);
Yelena Kvyatosh - Cand. Sc. (Ped.)f Krasnodar Higher Military Aviation School of Pilots named after Hero of the Soviet Union A.K. Serov (Krasnodar. E-mail: kvyatoshe@mail.ruJ.
Summary. Steam-gas mixtures suitable for breathing are used in high-altitude aviation. Atmospheric air, which includes dry air and water vapour, is an example of combined-gas mixtures. The states of unsaturated and saturated moist air are Illustrated in the diagram with coordinates P. The main physical parameters of moist air are considered in the article: absolute and relative humidity, moisture content and density. The importance of air humidity in aviation is described, since it is considered
В.И. ДЕМИДЧЕНКО, Г.Н, МАСЛЯЕВА, Е.П. КВЯТОШ
1»
■2018 № 5
as an important characteristic not only of weather, but also In forecasting the state of runways, their icing and icing of fuselages. The issue of cloud formation Is also touched upon.
Keywords: gas mixtures, moist air, unsaturated moist air, saturated moist air, absolute humidity, relative humidity. Icing, moisture content, cloud formation.
В технике кондиционирования, вентиляции, сушки влажных материалов используют снеси газов с парами, которые при определенных условиях легко конденсируются. Смеси газов, пригодные для дыхания и составляющие понятие искусственной атмосферы:, применяются в высотной авиации. Примером парогазовых смесей является атмосфервый воздух, в котором находится водяной пар. Смесь сухого воздуха с водяным паром называют влажным воздухом. Б атмосферном воздухе водяной пар, как правило, находится под небольшим парциальным давлением и является перегретым - состояние 1 на диаграмме с координатами Ро (давление - удельный объем, рис.1) . Смесь сухого воздуха и перегретого пара называют ненасыщенным влажным воздухом. Воздух в этом случае не насыщен влагой и его
можно рассматривать, как смесь идеальных газов.
Согласно закону Дальтона давление влажного воздуха, равное барометрическому Р^ представляет собой сумму парциальных давлений сухого воздуха Р и водяного пара Р : Р, = Р + Р .
г Я и С.Е Л
В состояние насыщения 2 {рис. 1) водяной пар во влажном воздухе может быть переведен по изотерме 12. При этом в воздухе возрастает содержание водяного пара, а следовательно, и его парциальное давление. В состоянии 2 количество водяного пара во влажном воздухе достигает максимума т^, а его парциальное давление -давления насыщения Рщ (рис. 1). Смесь сухого воздуха с сухим насыщенным паром называют насыщенным влажным воздухом. Состоянию насыщенного влажного воздуха соответствует туман во время дождя при неизменной температуре воздуха.
В изотермическом процессе испарения воды с поверхности почвы содержание водяного пара увеличивается и достигает максимума при насыщении воздуха влагой, то есть при появлении тумана - состояние 2 на рис. 1.
Если ненасыщенный влажный воздух охладить при постоянном давлении, то при температуре насыщения, соответствующей этому давлению, водяной пар, а следовательно, и влажный воздух окажутся в насыщенном состоянии. Для водяного пара ни диаграмме Ри (рис. 1) этому переходу соответствует процесс 13, а состоянию сухого насыщенного пара -точка 3. В этих условиях в процессе превращения ненасыщенного влажного воздуха в насыщенный парциальные давления сухого и водяного пара остаются постоянными. Температуру насыщения в этом случае называют температурой точки росы Т„ . При
Р,
>>Л
F»
mri= var; àm„>0
v*
Рис. 1
m» = const
■2018 № 5
ш
IK
тг
и2>У I
Рис. 2
охлаждении воздуха ниже температуры точки росы пар в нем начинает конденсироваться, появляется туман, и влажный воздух становится насыщенным. Состоянию насыщенного влажного воздуха соответствуют утренний туман и появление капель влаги на поверхности бутылки, вынутой из холодильника.
Температура точки росы может быть определена гигрометром. Более точно она определяется как температура насыщения при парциальном давлении водяного пара посредством психрометра. Ее можно также определить по таблицам водяного пара как температуру насыщения, соответствующую данному парциальному давлению водяного пара Рп.
Основными физическими характеристиками влажного воздуха являются: абсолютная и относительная влажность, влагосодержание и плотность.
Абсолютная влажность воздуха. Так как пар распространяется по всему объему воздуха и имеет определенное парциальное давление при данной температуре, то абсолютная влажность рав-
51= $2 К
на плотности водяного пара во влажном воздухе при его парциальном давлении и температуре воздуха: ря = т^' кг/м3. Абсолютная влажность насыщенного воздуха, равная плотности насыщенного водяного пара при температуре воздуха, есть ргм (состояние 2 на рис. ./) или рТ11 (состояние 3 на рис. ./).
Относительная влажность воздуха - отношение абсолютной влажности ненасыщенного влажного воздуха к максимально возможной при данной температуре (к абсолютной влажности насыщенного воздуха при той же температуре):
Ф";
т т /Ув.в о
Л I л
Для ненасыщенного воздуха ф < 1, для насыщенного
Ф = 1.
Сделаем допущение о том, что перегретый и сухой насыщенный пар в воздухе при той же температуре подчиняются уравнению состояния идеального газа, то есть Ри =ВТиР и" = ДяГ. Из
II Л ГТ 11Е
сопоставления этих уравнений имеем и'/и = р /р = Р /
* II ~ А> ГЛЕ Я>
Р и, следовательно,
1 =
(1)
Рис. 3
Влажность воздуха, определяющая содержание в воздухе водяного пара, является наиболее существенной характеристикой погоды и климата. В авиации она важна тем, что учитывается при прогнозировании состояния взлетно-посадочных полос вблизи околонулевых температур воздуха, обледенения ВПП, облачности, гроз. Под обледенением понимают отложение льда на поверхности аэродромов и летательных аппаратов в виде непосредственно льда или измороси и инея. Обязательным условием обледенения является отрицательная температура поверхности. В этом случае происходит замерзание оседающих на поверхности переохлажденных капель воды, имеющихся в облаке, тумане, мороси, дожде, или мокрого снега. Обледенение может быть и следствием десублимации содержащегося в воздухе водяного пара. Соответственно этому различают три типа обледенения: капельное, сублимационное и кристаллическое. Наиболее часто обледенение происходит в облаках, содержащих переохлажденные капли или
■2018 № 5
смесь капель и кристаллов. Обледенение ухудшает аэродинамические и летные характеристики самолета, может нарушать работу и вызвать повреждение двигателей, приборов, оборудования и систем. Обледенение наблюдается в широком интервале высот и температур наружного воздуха, а интенсивность его может достигать исключительно больших значений - до 30 мм/ мин. Для предотвращения обледенения служат проти-вообледенигельные системы.
В авиационной метеорологии основной интерес представляют атмосферные явления, наблюдаемые в тропосфере. К ним относят облачность, сильный боковой ветер, плотный туман и атмосферные осадки, представляющие собой воду в жидкой или твердой фазе и включающие дождь, снег, крупу, град, росу, изморось. Морось - это дождь с диаметром капель менее 0,5 мм, который выпадает из облаков или образуется при конденсации тумана. Атмосферные явления определяют возможность и эффективность использования авиации.
Принято удельные величины влажного воздуха относить к 1 кг сухого воздуха. Это обусловлено тем, что в процессах подогрева и охлаждения влажного воздуха количество сухого воздуха постоянно. Массу водяного пара, приходящуюся на 1 кг сухого воздуха, называют в л а госодержан ием
т т IV
Для пара и сухого воздуха, как компонентов влажного воздуха, находящихся в одном объеме и при одинаковой температуре, можно соответственно написать Р„У= тЯТ шРгУ= тВТ.
г1 г1 с.я сл с.е
Следовательно, P_VR_T R
Р. УНТ R.
Рш
V.
28,96 8314 \Р — 0,622р
Так как Р = Р. - Р
Г.в О 14
И
согласно (1) Рг лучим
d- 0,623
ФР,
<рР , то по-
кг /кг .
р.-чр;
Плотность влажного воздуха складывается из плотностей сухого воздуха рс я и водяного пара рд. Принимая во внимание следующее соотношение между ними в виде р= <}, получим
р = Р, е + Рп = РсЛ1 + = Р«
(1 + й)/а, кг/м3.
От физических свойств влажного воздуха, кстати, зависят аэродинамические и аэростатические силы, действующие на летательные аппараты в атмосфере, и характеристики силовых установок.
Решение задач по влажному воздуху с помощью приведенных формул требует определенной расчетной работы. Эта работа становится сложной, когда влажный воздух следует рассматривать как реальный газ. Для упрощения расчетов пользуются таблицами. Но проще всего определять параметры влажного воздуха и исследовать процессы с помощью диаграмм. Наибольшее распространение получила предложенная русским ученым Л. Рамзиным кй диаграмма.
Определенный интерес может представлять вопрос об образовании облаков. Процесс формирования облака начинается с подъема вверх некоторой массы влажного воздуха. По мере подъема происходит расширение воздуха от начального объема и1 до > и1- Как
показано на диаграммах с координатами Т (температура - удельная энтропия, рис. 2) и Ри (давление -удельный объем, рис. 3). Это расширение можно считать адиабатным.
Температура же воздуха и водяного пара, как одного из двух компонентов воздуха, за счет адиабатного расширения понижается, рис. 2 и 3. Условие адиабат ноет и следует из допущения о том, что практический теплообмен между значительным объемом воздуха при высокой скорости его вертикального движения и окружающей средой отсутствует, рис. 2. Когда температура охлаждающегося влажного воздуха и водяного пара понизится до температуры точки росы TTf (рис. 2 и 3, состояние 2), станет возможным процесс конденсации водяного пара от состояния 2 в направлении точки 3 при Ра = const и Т2 = Тт п = const. Следует обратить внимание на недопустимость сопоставления рис. 2 и 3 с рис. J, т.к. рассматриваемый процесс формирования облаков связан с движением воздушных масс по вертикали вверх на расстояния в несколько тысяч метров и изменением параметров воздуха при этом. А на рис. 1 - процессы 1-2 и 1-3 перехода ненасыщенного влажного воздуха в состояние насыщенного влажного воздуха.
ЛИТЕРАТУРА
1. Демидченко В.И. Физика: уче&вик/В.И. Демидчен ко, И.В. Демидченко. - 6-е изд., перераб. и доп. - М.: ИНФРА-М, 2017. 581 с. + Доп. материалы [Электронный ресурс; Режим доступа http:// www.znanlnm.com]. -(Высшее образование: Бакалавриат).
■2018 № 5
Jk
