src/Environment/atmosphere.hxx

   1 // atmosphere.hxx -- routines to model the air column
   2 //
   3 // Written by David Megginson, started February 2002.
   4 // Modified by John Denker to correct physics errors in 2007
   5 //
   6 // Copyright (C) 2002  David Megginson - david@megginson.com
   7 //
   8 // This program is free software; you can redistribute it and/or
   9 // modify it under the terms of the GNU General Public License as
  10 // published by the Free Software Foundation; either version 2 of the
  11 // License, or (at your option) any later version.
  12 //
  13 // This program is distributed in the hope that it will be useful, but
  14 // WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  15 // MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  16 // General Public License for more details.
  17 //
  18 // You should have received a copy of the GNU General Public License
  19 // along with this program; if not, write to the Free Software
  20 // Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301, USA.
  21 //
  22 // $Id$
  23
  24
  25 #ifndef _ATMOSPHERE_HXX
  26 #define _ATMOSPHERE_HXX
  27
  28 #include <simgear/compiler.h>
  29 #include <simgear/math/interpolater.hxx>
  30
  31 #include <cmath>
  32 #include <utility>
  33
  34 using namespace std;
  35
  36 /**
  37  * Model the atmosphere in a way consistent with the laws
  38  * of physics.
  39  *
  40  * Each instance of this class models a particular air mass.
  41  * You may freely move up, down, or sideways in the air mass.
  42  * In contrast, if you want to compare different air masses,
  43  * you should use a separate instance for each one.
  44  *
  45  * See also ./environment.hxx
  46  */
  47
  48 #define SCD(name,val) const double name(val)
  49 namespace atmodel {
  50     SCD(g, 9.80665);            // [m/s/s] acceleration of gravity
  51     SCD(mm, .0289644);          // [kg/mole] molar mass of air (dry?)
  52     SCD(Rgas, 8.31432);         // [J/K/mole] gas constant
  53     SCD(inch, 0.0254);          // [m] definition of inch
  54     SCD(foot, 12 * inch);       // [m]
  55     SCD(inHg, 101325.0 / 760 * 1000 * inch);  // [Pa] definition of inHg
  56     SCD(mbar, 100.);            // [Pa] definition of millibar
  57     SCD(freezing, 273.15);      // [K] centigrade - kelvin offset
  58     SCD(nm, 1852);              // [m] nautical mile (NIST)
  59     SCD(sm, 5280*foot);         // [m] nautical mile (NIST)
  60
  61     namespace ISA {
  62         SCD(P0, 101325.0);              // [pascals] ISA sea-level pressure
  63         SCD(T0, 15. + freezing);        // [K] ISA sea-level temperature
  64         SCD(lam0, .0065);               // [K/m] ISA troposphere lapse rate
  65     }
  66 }
  67 #undef SCD
  68
  69
  70
  71 class ISA_layer {
  72 public:
  73   double height;
  74   double temp;
  75   double lapse;
  76   ISA_layer(int, double h, double, double, double, double t, double,
  77                     double l=-1, double=0)
  78    :  height(h),        // [meters]
  79       temp(t),          // [kelvin]
  80       lapse(l)          // [K/m]
  81   {}
  82 };
  83
  84 extern const ISA_layer ISA_def[];
  85
  86 std::pair<double,double> PT_vs_hpt(
  87           const double hh,
  88           const double _p0 = atmodel::ISA::P0,
  89           const double _t0 = atmodel::ISA::T0);
  90
  91 double P_layer(const double height, const double href,
  92   const double Pref, const double Tref, const double lapse );
  93
  94 double T_layer(const double height, const double href,
  95   const double Pref, const double Tref,  const double lapse );
  96
  97 // The base class is little more than a namespace.
  98 // It has no constructor, no destructor, and no variables.
  99 class FGAtmo {
 100 public:
 101     double a_vs_p(const double press, const double qnh = atmodel::ISA::P0);
 102     double fake_T_vs_a_us(const double h_ft,
 103                 const double Tsl = atmodel::ISA::T0) const;
 104     double fake_dp_vs_a_us(const double dpsl, const double h_ft);
 105     void check_one(const double height);
 106
 107 // Altimeter setting _in pascals_
 108 //  ... caller gets to convert to inHg or millibars
 109 // Field elevation in m
 110 // Field pressure in pascals
 111 // Valid for fields within the troposphere only.
 112     double QNH(const double field_elev, const double field_press);
 113 /**
 114  * Invert the QNH calculation to get the field pressure from a metar
 115  * report. Valid for fields within the troposphere only.
 116  * @param field_elev field elevation in m
 117  * @param qnh altimeter setting in pascals
 118  * @return field pressure _in pascals_. Caller gets to convert to inHg
 119  * or millibars
 120  */
 121     static double fieldPressure(const double field_elev, const double qnh);
 122 };
 123
 124
 125
 126 class FGAtmoCache : FGAtmo {
 127     friend class FGAltimeter;
 128     SGInterpTable * a_tvs_p;    // _tvs_ means "tabulated versus"
 129
 130 public:
 131     FGAtmoCache();
 132     ~FGAtmoCache();
 133     void tabulate();
 134     void cache();
 135     void check_model();  // debug
 136 };
 137
 138
 139
 140 class FGAltimeter : public FGAtmoCache {
 141     double kset;
 142     double kft;
 143
 144 public:
 145     FGAltimeter();
 146     double reading_ft(const double p_inHg,
 147             const double set_inHg = atmodel::ISA::P0/atmodel::inHg);
 148     inline double press_alt_ft(const double p_inHg) {
 149         return a_tvs_p->interpolate(p_inHg);
 150     }
 151     inline double kollsman_ft(const double set_inHg) {
 152         return a_tvs_p->interpolate(set_inHg);
 153     }
 154
 155     // debug
 156     void dump_stack();
 157     void dump_stack1(const double Tref);
 158 };
 159
 160 #endif // _ATMOSPHERE_HXX