第20章__飞机观测(易)

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1、第20章飞机观测20.1概述本章叙述在现代商业飞机上进行自动气象测量的方法,其集合名称为飞机气象数据中继系统(AMDAR)。此处叙述的方法也可用于其它装备仪器的飞机。专用于气象业务的长距离无人驾驶飞机正在研制中，如飞行探测（Holland，MeGeer和Youngren，1992）。由于尚未投入业务使用，在此不加叙述。AMDAR系统工作在配有复杂的导航和其它传感系统的飞机上。包括测量空速、气温和气压等。其它与飞机位置、加速度和方向等有关的数据从飞机导航系统中获取。飞机上还装有机载计算机，用于飞行管理和导航系统。在AMDAR系统中，数据经

2、进一步处理后自动馈入飞机通讯系统以向地面发送，或者是在飞机上另一套专用处理软件包，从飞机上直接获取原始数据并独立推导其它气象变量。在AMDAR系统中，这些设备用来实时编制和传送气象报告。报告中包括水平风速和风向、气温、高度（相对于参照气压面）、湍流的测量以及飞机位置。气象观测的原始数据需进行多种修正和复杂的处理，才能得到可代表飞机周围自由气流中的真实气象测量值。所有有关处理程序的全面叙述，超出了本指南的范围，此处只能简述其原理，附录里有一些细节，并列出一些参考文献供阅读。20.2风速和风向的测量从飞机上测量三维风矢量是一个很复杂的问题。

3、利用从飞机导航系统（一般是惯性导航系统）和空速系统（一般是皮托管）获得的数据，加上从温度传感器获得的数据，可以计算出具有很高准确度的飞机相对于地面的速度（Vg）和空气相对于飞机的速度（Va），于是即可得到风矢量（V）V=Vg－Va（20.1）图20.1飞机参考轴及姿态角矢量Vg和Va需准确测量,因为典型的水平风()比飞机的地速和真空速(200至372)小很多。要完全解出这些三维矢量，需要测量飞机的俯仰角、坡度角、侧滑角以及飞机相对于气流的垂直攻角（图20.1）。在正常水平飞行时，俯仰角、侧滑角和攻角都很小，可以忽略不计。但飞机操纵可能造

4、成很大误差，不过操纵时一般只是坡度角有较大变化。所以计算风数据时，通常把坡度角超过一定阈值时的数据排除。对于大多数应用，只测量风的水平分量。这时要求输入的数据缩减为只需空速、航向和地速。航向和地速取自导航系统，真空速需根据空速指示器的校正空速计算出来。水平风的分量（u，v）为：（20.2）(20.3)式中是真空速的量值,是相对于真北的航向，和是地速的分量。图20.2飞机测温探头20.3气温的测量准确测量气温是推导其它气象要素的基础。例如，它用以修正表速，从而影响到风速分量的计算。很多商业飞机装备有内置型温度探头。图20.2所示即为一个典

5、型的例子。感应元件是一个铂电阻测温元件。元件腔的设计是让云水粒子分流，不致打在元件上。但有报道称（LawsonandCooper，1990）在积云中元件被打湿。探头实际测得的温度是空气总温度（TAT）。而静止空气温度（SAT），即自由气流的温度，与空气总温不同。因为气流被元件腔和测温元件减速时，压缩及黏性摩擦的增温以及空气在元件上的不完全阻滞。使温度发生了变化。SAT（，以K为单位）和测得温度（）的关系如下式：（20.4）式中是干空气比热之比()：M是马赫数(真空速除以自由大气中的音速)：为探头的恢复系数，它包括了空气黏性对SAT的效应

6、和空气在测温元件上不完全阻滞的效应。详细的论述参见权威的空气动力学著作，如AbbottandvonDoenhoff（1959）或Commasch，SherbyandConnolly（1958）。372对于商业飞机上装备的常用的探头，取γ=1.4，则SAT为。典型的喷气式商业飞机巡航速度的马赫数约为0.8,可得(20.5)如果To=223K(-50℃)(20.6)T1=251K(-22℃)(20.7)则在巡航高度上典型的温度修正值为-28℃。元件在云中被打湿时，蒸发降温所造成的误差可达3℃左右。可以用其它设计元件如国家大气研究中心（美国N

7、CAR）研制的返流式探头（见RodiandSpyers-Duran，1972）可以消除这种误差。20.4气压测量静压可用接至静压头的电子气压表直接测得。虽然飞机压强传感器感受设计为测量静压（自由大气的压强）的，但这个变量并不直接在飞机气象报告中发布。报告的是按照国际标准大气（ICAO，1964）这个气压值所对应的高度值。飞行在定常高度上的飞机实际上是在等压面上飞行，这简化了全球导航的规则。标准大气假设，在11km以下气温随高度线性下降，每km降低6.5℃，海平面温度和气压分别为15℃和1013.25hPa。从11到20km，温度假设为常

8、数：-56.5℃。20.5马赫数计算马赫数是为了修正气温的测量值和空速的测量值（指示空表速）。在干空气中，音速正比于绝对温度（静态）的平方根。但从20.3节我们知道,飞机传感器并不能直接测量到静止大气温度,