談氣壓對無人機操控的影響

范東辰

2017年7月，第十五屆全國中小學信息技術創新與實踐活動在美麗的海濱城市青島舉行，我參加了學生賽項的無人機應用技能挑戰賽高中組的比賽，最終獲得了無人機挑戰賽的全國一等獎。總結獲獎的原因，主要是在大家水平相等的情況下，我注意到了氣壓對無人機操控的影響。

在不同的季節、不同的氣候條件和地理位置等條件下，大氣壓值是不同的。

地勢變化

從微觀角度看，決定氣體壓強大小的因素主要有兩點：一是氣體的密度n;二是氣體的熱力學溫度T。在地球表面隨地勢的升高，地球對大氣層氣體分子的引力逐漸減小，空氣分子的密度也隨之減小，同時大氣的溫度也降低。因此，在地球表面，隨地勢高度的增加，大氣壓的數值是逐漸減小的。如果把大氣層的空氣看成理想氣體，我們可以推得近似反映大氣壓隨高度而變化的公式：

μ=P0gh/RT

（μ為空氣的平均摩爾質量，P0為地球表面處的大氣壓值，g為地球表面處的重力加速度，R為普適氣體恒量，T為大氣熱力學溫度，h為氣柱高度）

由上式可以看出，在不考慮大氣溫度變化這一次要因素的影響時，大氣壓值隨地理高度h的增加按指數規律減小。在2千米以內，大氣壓值可近似認為隨地理高度的增加而線性減小;在2千米以外，大氣壓值隨地理高度的增加而減小漸緩。所以，初中物理教材中有介紹，在海拔2千米以內，可以近似地認為每升高12米，大氣壓降低1毫米汞柱。

包頭市區的海拔高度是1067米，我國測量海拔以黃海海濱城市青島平均海面作為零點，所以青島的海拔高度是0米。因此，高度引起氣壓變化這一規律告訴我：青島的氣壓比包頭大。

緯度變化

地球表面大氣層的成份中，變化較大的就是水汽。人們把含水汽比較多的空氣叫“濕空氣”，把含水汽較少的空氣叫“干空氣”。有些人直覺地認為濕空氣比干空氣重，這是不正確的。干空氣的平均分子量為28.966，而水汽的分子量只有18.106，所以含有較多水汽的濕空氣的密度要比干空氣小，即在相同的物理條件下，干空氣的壓強比濕空氣的壓強大。在地球表面，由赤道到兩極，隨地理緯度的增加，一方面由于地球的自轉和極地半徑的減小，地球對大氣的吸引力逐漸增大，空氣密度增大;另一方面由于兩極地區溫度較低，所以空氣中的水汽較少，可近似看成干空氣，所以由赤道向兩極，隨地理緯度增加，大氣壓總的變化規律是逐漸增大（因氣候等因素影響，局部某處的大氣壓值變化可能不遵循這一規律）。包頭的緯度是北緯40.657度，青島的緯度是北緯36.04度，因而，這一因素對氣壓的影響不大。

日變化

對于同一地區，在一天之內的不同時間，地面的大氣壓值也會有所不同，這叫大氣壓的日變化。一天中，地球表面的大氣壓有一個最高值和一個最低值。最高值出現在9～10時，最低值出現在15～16時。

導致大氣壓日變化的原因主要有三點：一是大氣的運動;二是大氣溫度的變化;三是大氣濕度的變化。日出后，地面開始積累熱量，同時地面將部分熱量輸送給大氣，大氣也不斷地積累熱量，其溫度升高濕度增大。當溫度升高后，大氣逐漸向高空做上升輻散運動，在15～16時，大氣上升輻散運動的速度達最大值，同時大氣的濕度也達較大值，受此二因素的影響，一天中此時的大氣壓是最低的。16時以后，大氣溫度逐漸降低，其濕度減小，向上的輻散運動減弱，大氣壓值開始升高;進入夜晚，大氣變冷開始向地面輻合下降，在上午9～10時，大氣輻合下降壓縮到最大程度，空氣密度最大，此時的大氣壓是一天中的最高值。

我們高中組的比賽是下午，這樣就避開了一天中大氣壓最高值。我抽簽是倒數第二名出場比賽，預計時間將在下午5點以后，也就是說大氣壓值開始回升。

年變化

同一地區，在一年之中的不同時間其大氣壓的值也有所不同，這叫大氣壓的年變化。大氣處于地球周圍一個開放的沒有具體疆界的空間之內，這就使得它與密閉容器中的氣體有著很多區別。夏天，大陸中的氣溫比海洋上高，大氣的濕度也比較大（相對冬天而言），這樣大陸上的空氣不斷向海洋擴散，導致其壓強減小。到了冬天，大陸上氣溫比海洋上低，大陸上的空氣濕度也較夏天小，這樣海洋上的空氣就向大陸上擴散，使大陸上的氣壓升高。這就是大陸上冬天的大氣壓比夏天高的原因（大氣溫度也是影響大氣壓的一個因素，但在這里決定大氣壓變化的因素不是氣溫，而是大氣的流動及大氣的密度）。包頭市的氣候為半干旱半濕潤的溫帶大陸性氣候。青島地處北溫帶季風區域，屬溫帶季風氣候，市區由于海洋環境的直接調節，受來自洋面上的東南季風及海流、水團的影響，故又具有明顯的海洋性氣候特點。比賽是在7月夏季，因此地處海邊的青島比內陸的包頭氣壓要大。

因此，在比賽的前一天，我去青島模擬場地親自感受了大氣壓對飛機靈敏度的影響。剛啟動飛機時并無異樣，在攀升和穩定高度時，我清晰地感受到了氣壓的影響。在包頭練習時微小的推桿動作對無人機的影響是不大的，但在青島不經意地推桿都會使飛機變得極為不穩定，在進行平面內的移動時也經常會碰到障礙物。緊張的適應練習結束，理論知識及時轉化為對實踐的指導，使我心里對比賽充滿信心。

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支持項目：2016年國家級大學生創新創業訓練項目，項目號201610876013;2016年度浙江省教育技術研究規劃課題，項目號JB045。