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）o此处叙述的方法也可用于英它装备仪器的飞机。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）O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

2、统中，数据经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，从飞机上直接获収原始数据并独立推导其它气象变量。在AMDAR系统屮，这些设备用来实时编制和传送气象报告。报告屮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白由气流屮的真实气彖测量值。所有有关处理程序的全面叙述，超出了木指南的范围，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

3、量是一个很复杂的问题。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」）x*矢量Vg和Vd需准确测量，因为典型的水平风（三30加s）比飞机的地速和真空速（200至300m/5）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

4、不计。但飞机操纵可能造成很大误差，不过操纵时一般只是坡度角有较大变化。所以计算风数据吋，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:u=-vasin0+叫（20.2）v=-vacos（p+j（20.3）式中

5、va

6、是真空速的量值,0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

7、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所示即为一个典型的例子。感应元件是一个钳电阻测温元件。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（心，以K为单位）和测得温度（£）的关系如下式：(20.4)式中卩是干

8、空气比热之比（cjcj：M是马赫数（真空速除以自由大气中的音速）：2为探头的恢复系数，它包括了空气黏性对SAT的效应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)。对于商业飞机上装备的常用的探头，2=0.97収丫二1.4,则SAT为7；/(1+0.194M2)/Co典型的喷气式商业飞机巡航速度的马赫数约为0.&可得T()a7；/1.124(20.5)如果To=223K(-50°C)(

9、20.6)T1=251K(-22°C)(20.7)则在巡航高度上典型的温度修正值为-28°CO元件在云中被打湿时，蒸发降温所造成的误差可达3°C左右。可以用其它设计元件如国家大气研究中心(美国NCAR)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E机气象报告屮发布。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

10、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°C,海平面温度和气压分别为15°C和1013.25hPao从11到20km,温度假设为常数：・56.5°Co20.5马赫数(20.8)计算马赫数是为了修正气