Московский Авиационный Институт

(Национальный исследовательский университет)

Выпускная квалификационная работа.

Тема: Определение поглощаемого теплового излучения, падающего на произвольно ориентированную площадку в стратосфере Земли.

Выполнила студентка группы 80-401Б:

Научный руководитель:  

Консультант:

Москва

2017 год

РЕФЕРАТ

  Выпускная квалификационная работа содержит: 45 страниц,

16 рисунков, 4 таблицы, 9 источников, 1 приложение.

ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ, МОДЕЛЬ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, СТРАТОСФЕРА, СОЛНЦЕ, ЗЕМЛЯ, ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ, МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ, ПОГЛАЩАЕМОЕ ТЕПЛО.

Цель работы  - сформулировать физическую и математическую модель распределения энергии солнечного излучения в стратосфере Земли с учетом географических координат, даты и времени суток. Сформулировать модель теплового излучения Земли и окружающего воздуха с учетом подстилающей поверхности, облачности, времени суток. Составить программу расчета поглощаемого теплового излучения, падающего на произвольно ориентированную площадку в стратосфере Земли.

В результате предполагается получить модели, о которых сказано выше. На основе данных моделей должна быть  разработана программа, позволяющая рассчитать энергетические характеристики электромагнитного излучения солнца, земной поверхности и воздуха в заданной точке стратосферы Земли.

СОДЕРЖАНИЕ:

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………. 4

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ………………………………………………………. 6

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ………………………………………………..…………….7

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ…………………………………………………... 8

1.1 Энергия солнечного излучения ……………………………………………...9

1.2 Солнечная постоянная……………………………………..………………..10

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

1.3 Закон Бугера …………………………………………………………………12

1.4 Положение Солнца………………………………………………………..…14

1.5 Произвольно ориентированная площадка…………………………………18

1.6 Рассеянная солнечная радиация…………………………………….………20

1.7 Отраженная радиация………………………………………………….……21

1.8 Суммарная освещенность площадки солнечным излучением…………..23

1.9 Излучение Земли и Атмосферы…………………………………….…..…24

1.10 Поглощение……………………………………………………….……….25

2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ……………………………………………….…..26

2.1 Программная реализация …….……………………………………………..27

2.2 Интерфейс программы …………………………………………………..….28

2.3 Результаты работы…………………………………………………………...31

ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………….…35

СПИСОК ИСПОЛЬЗАВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ…………………………....36

ПРИЛОЖЕНИЕ…….…………………………………………………………....37


ВВЕДЕНИЕ

Солнце - единственная звезда Солнечной системы. Она имеет температуру на поверхности около 5780 К. Солнце излучает свет необходимый для фотосинтеза, т. е. является одним из факторов обеспечивающих жизнь на Земле.

В настоящее время все большую значимость приобретают  вопросы энергетики и экологии. Запасы нефти и  угля не бесконечны, к тому же энергия вырабатывается при горении топлива, а данный процесс  сопровождается выбросом в атмосферу токсичных веществ и канцерогенов. Вследствие этого  человечество задумалось о различных альтернативных источниках энергии. Например, чтобы избавиться от выхлопных газов, люди начали использовать электрические транспортные средства. Но для работы электродвигателей нужна электроэнергия, а большая ее часть получается при сжигании топлива. Одним из способов решения энергетической проблемы является применение солнечных батарей.

Как известно, топливо используются не только для автомобилей, но и в авиации. Поэтому появляются достаточно смелые проекты по созданию самолетов, использующих исключительно солнечную энергию. Что уже говорить про более легкие воздушные суда, например, аэростаты.

В виду вышесказанного, использование солнечных панелей в сверхлегкой (малой) авиации является перспективным и может скоро стать повсеместным. 

Для того чтобы оценить целесообразность установки солнечных батарей и рассчитать необходимую площадь  панелей, необходимо определить, какое количество солнечного излучения падает на единичную площадку находящуюся в заданной точке траектории предполагаемого полета в расчетное время. Так же с конструкторской точки зрения немаловажно установить солнечные панели таким образом, чтобы на них попадало максимальное возможное количество солнечной радиации.

Для этих целей мной была написана работа по определению поглощаемого теплового излучения, падающего на произвольно ориентированную площадку, в стратосфере земли 

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Рассмотрим летательный аппарат (ЛА), на примере стратостата, находящегося в стратосфере Земли, т. е. на высоте от 11 до 50 км над уровнем моря. На обшивку рассматриваемого ЛА, поступает тепловое излучение. Для того чтобы вычислить суммарное тепловое излучение, поступающее на корпус стратостата, необходимо аппроксимировать обшивку элементарными приемными площадками. По месту нахождения приемные площадки можно разделить на два типа: расположенные на верхней части ЛА и расположенные в нижней части. На приемную площадку в верхней части действует прямое солнечное излучение (СИ), рассеянное верхними слоями атмосферы рассеянное СИ, а так же инфракрасное (ИК) излучение самой атмосферы. На расположенную внизу приемную площадку попадает отраженное СИ и СИ, рассеянное нижними слоями атмосферы, а так же ИК излучение Земли и окружающей атмосферы. Ниже приведено схематическое изображения поставленной задачи.



ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Энергия солнечного излучения

Солнечное излучение считается тепловым. В космическом пространстве данному излучению ничто не препятствует, однако в среде это не так. Часть исходного излучения поглощается и рассеивается атмосферой. При этом часть поглощенного солнечного излучения атмосфера затем излучает на поверхность земли, а часть обратно в космос.

Излучение, полученное приёмной площадкой от молекул воздуха, называется диффузным или рассеянным. Рассеяние света происходит благодаря неоднородностям среды, например из-за флуктуаций плотности воздуха, наличия  облаков, аэрозолей или пыли.

Кроме атмосферы солнечную радиацию отражает и поверхность земли. Данную часть радиации называют отраженной.

Интенсивность солнечного излучения, падающего на приемную площадку, складывается из интенсивности прямого, диффузного и отраженного от земли излучения[1]:

(1.1)


Солнечная постоянная

Среднее значение интенсивности солнечного излучения на границе атмосферы - солнечная постоянная - принимается равным Вт/м2.  Так как при движении по орбите расстояние между Землей и Солнцем изменяется, интенсивность излучения, поступающую на границу атмосферы, зависит от времени[2]:

(1.2)

где - усредненный радиус орбиты, принимаемый 149,6 млн. км, а - текущий, изменяющейся в диапазоне от 147,5 до 152,5 млн. км.

Выведем формулу для r(t). Земли движется вокруг Солнца по эллиптической орбите. Большая полуось a равна 149,59826 млн. км, а малая полуось b – 149,57624 млн. км. Так же следует отметить, что Солнце смещено от центра эллипса. Введем систему координат, связанную с центром, так что Солнце будет лежать в отрицательной области по оси x и в нуле по y.

Запишем уравнение вышеописанного эллипса:

(1.3)

Земля находится ближе всего к Солнцу (перигелий) в период от 3 до 5 января, а максимально удаляется (афелий) в период от 3 до 7 июля. Чтобы вычислить  , отнимем от 149,598 минимальное расстояние 147,098, тогда уравнение 1.3 примет вид:

(1.4)

Для удобства вычислений введем полярную систему координат, где радиус r обозначает расстояние от Солнца до Земли, а угол зависит от даты. Так как минимальный угол со значением наблюдается в перигелии, который мы примем за 4 января, то значение угла ц в зависимости от номера дня в году n можно получить, используя выражение . Вариации угловой скорости движения Земли по орбите не учитываются.

(1.5)

Подставив систему 1.5 в выражение 1.4 получим квадратное уравнение . Решая которое, получаем искомую зависимость r(t). Стоит отметить, что в силу физического смысла задачи нас интересуют только положительные r. Результаты расчетов по приведенной выше методике отражены на рис.1.1.

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7