浅谈稀薄大气

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1、浅谈稀薄大气一、介质是连续的还是间断的？现代分子动理论的建立是1738年由丹尼尔•伯努利开始的，他在所著的《流休动力学》一书屮从连续介质的观点用能量守恒定律解决流休的流动问题，写出了流体动力学的基本方程，后人称之为“伯努利方程”，并提出了“流速增加、压强降低'‘的伯努利原理。所谓连续介质，即把介质看成是连绵一片的流体，假设介质所山据的空间里到处都密布了这种介质而没冇空隙。然而我们知道物质都是由微小粒子构成的，空气也不例外，所以气休分子并不是连续的充斥于空间中的。最早认识到这一点的是古希腊哲淫家徳谟克利特，他提出了原子唯物论学说，认为

2、世间万物均由微小粒子组成,它们大小形状各异并处于不停运动之中。但是呢,伯努利和欧拉的流体分析方法一直成功地解决着人类遇到的物体在液体和气体屮的受力和受热的问题，而无需考虑介质其实是间断的。这是因为在通常情况下,人们所感知的气体世界表现出连续的特征，用平常的测量仪器观察到的气体的性质也是连续和光滑的。在人类的生产实践屮或实验室里，通常条件下的流动特征尺度至少要冇lcm,

3、佃气体的物理或动力学性质在10_3cm的范围内变化会很小。这一线性大小构成的体积10-9cm3在标准状态下包含了大约3xIO】。个分子，这个数目足够大使得气体的平均性

4、质不受其具体数目大小的影响。但在气体密度十分低的特殊情况下（在物休十分纤细的情况下也是如此），气休粒子的间断效应就会变得显著起来，通常的研究气体动力学的方法不再适用，代Z采用稀薄大气动力学的方法。那么如何判断流场内流体是连续的还是间断的呢？中国著名科学家钱学森于1946年发表了一篇关于稀薄气体流动的论文，文中将稀薄气体流动划分为三大区域，即滑流区、过渡流区和自由分子流区，划分的依据是努森数Kn=k/L其中入是分了的平均门由程，即一个分了在两次相继碰撞间走过的距离，在海平面其大小约为0.07x10_6m,在70km的高空约为1mm,在

5、85km的高空则约为lcm,这时稀薄效应变得重要起来。L是流动特征长度，如杲是一架无人机在此高度飞行的话，那么该无人机的长度即可看作特征长度。不同流动区域所对应的Kn数为连续流区Kn<0.001滑流区0.00110在滑流区，气体流动与连续介质的差别主要表现在边界附近，即所谓的速度滑移和温度跳跃现彖；在自由分子流区，分子Z间的碰撞机会很少，从物而反射的分子流儿乎不受来流影响，近似服从物面条件下的麦克斯韦分布，这类问题容易处理，只要了解分子在物而是如何反射的就得到了问题的解；在过渡流区，分子之间的碰撞与分

6、子和物面的碰撞同等重要，这是稀薄大气动力学的核心的，也是最困难的问题。Kn=0.00010.0010.010.1110100—►滑移区自由分了滥■连续介质过渡区图1不同流动区域与Kn数的关系二、研究稀薄大气的意义何在？在了解了什么是稀薄大气之后，我们可能会有这样的疑问：既然日常生活中的流体问题可以用连续介质模型解决，那么为什么要研究稀薄大气呢？之前我们已经知道稀薄气体动力学主要应用在两个领域：1、高度在大约70km以上的高空2、尺寸在微米级别的微机电系统（MEMS）这里，我们主要讨论第一种情况，这是传统意义上理解的稀薄大气。稀薄大气

7、相关理论在临近空间领域有着很重耍的作用。临近空间是目前国内外的一个研究热点，它最早由美军国防部提出，一般是指距地面20〜100km的空域，处于现有飞机的最高飞行高度和卫星的最低轨道高度之间。而临近空间飞行器则是指在临近空间区域内飞行并完成特定任务的飞行器。临近空间飞行器具有其它航空航天飞行器无法比拟的优势，在军事上有着广阔的应用前景，对于未来空天一体化作战、防空防天反导都将产生革命性的影响。下面举三个例子简单说明一下。中国的神舟飞船和美国的航天飞机再入大气层时，需要严格地控制飞行的姿态角保证降落在指定的搜救区域Z内，而此时飞行器在大

8、气内主要受到空气动力的作用，若无法准确建立大气模型很容易造成事故。美国由于已经建立了较为完善的稀薄大气模型，因此控制系统设计起来就更为轻松了。控制系统的作用是保图2中国东风・41洲际弹道导弹要求可想而知。持航天飞机的飞行状态稳定，然而控制系统输岀的只是电信号，需要执行机构如舵机引起的舵面偏转产生控制力來实现功能，而此时的控制力就是气动力了。中国由于航天发展起点较低，述未系统建立相关的稀薄大气模型，因此控制系统的设计一直是一大难题，飞船控制精度也不及俄美两国。弹道导弹是一类威力人、杀伤性高的战略武器，其鼻祖就是德国纳粹曾经研制出的赫赫

9、有名的V・2导弹，在冷战期间著名的古巴导弹危机即由此引发。1983年，美国时任总统里根提出了“星球大战”计划，开始研制反导系统，意图将敌方发射过来的导弹在空屮击落。洲际弹道导弹的飞行高度再100km以上，必然会经过稀薄大气领域，如何对