Что мешает маленькому самолету, такому как Cessna или Piper, летать так же высоко, как реактивный самолет?

Очевидно, принимая во внимание кислород. Что мешает маленькому самолету летать на гораздо большей высоте? Я знаю, что некоторые бизнес-джеты могут летать на высоте до 40 000 футов. Это связано с аэродинамическим профилем крыльев? Например, можете ли вы управлять Cessna 172 на высоте 20 000 футов или выше?

Привет @Boeing787 - двигатель, я думаю, важен - у винтов нет больших компрессоров, чтобы сделать воздух подходящим ... Но люди подошли ближе - см. Aviation.stackexchange.com/a/32719/56827 или Aviation.stackexchange.com/ а/61899/56827
Почти любая Cessna может легко подняться на высоту 20 000 футов, если двигатель оснащен турбонаддувом. Cessna T210 имеет практический потолок 27 000 футов. en.wikipedia.org/wiki/Cessna_210_Centurion
40000 футов — это нормально даже для авиалайнеров всех размеров. Бизнес-джеты могут летать примерно до 50 тысяч футов.
Конечно, тот факт, что кабина не герметизирована, и людям трудно оставаться в сознании на таких высотах без герметизации, является важным фактором. Добавление наддува имеет немало последствий для формы, веса и стоимости самолета.
Ваш ответ подразумевает, что самолеты большие, а другие самолеты маленькие. Это не обязательно так. Подумайте о Hondajet и B-29 :)

Ответы (3)

Возьмем случай поршневого двигателя без наддува, который используется в большинстве небольших Cessna и Piper.

Все двигатели нуждаются в кислороде в воздухе, чтобы сжечь их топливо. Когда самолет набирает высоту, воздух истончается, поэтому кислорода становится меньше, поэтому двигатель сжигает меньше топлива и производит меньше энергии. Затем наступает высота, на которой не хватает мощности, чтобы тянуть самолет по воздуху еще быстрее, чтобы увеличить подъемную силу в этом разреженном воздухе и продолжать набор высоты. Грубо говоря, это потолок самолета .

Теперь, если мы поместим более мощный двигатель в тот же самолет, он не только сможет набирать высоту быстрее, но и будет иметь больше мощности на большей высоте, даже если его выходная мощность все еще падает по мере набора высоты. Таким образом, он может продолжать тянуть самолет по воздуху все быстрее по мере набора высоты и, таким образом, поддерживать достаточную подъемную силу крыла для увеличения высоты. Таким образом, более мощный двигатель поднимет самолет выше, прежде чем закончится мощность, и, таким образом, продемонстрирует более высокий максимальный потолок.

Реактивные двигатели чрезвычайно мощны, и благодаря своей конструкции компрессора они могут делать окружающий воздух более плотным на больших высотах, поэтому они могут поддерживать скорость сжигания топлива и продолжать производить высокую мощность на очень больших высотах — намного выше высот, на которых поршень Самолет с двигателем без нагнетателя исчерпал возможности набора высоты.

Вы можете добавить воздушный компрессор (называемый турбокомпрессором или нагнетателем) к воздухозаборнику поршневого двигателя, чтобы заставить его думать, что он дышит воздухом на уровне моря, когда он на самом деле находится на высоте 10 000 футов, и тогда он может продолжать набор высоты, как указал Майк Соусун. - пока у пилота есть кислородный баллон, чтобы он или она могли остаться в живых там, наверху.

Это упрощенная картина, но не беспокойтесь - через пару часов Петер Кемпф встанет с постели и даст более полный ответ!

Современные поршни с турбонаддувом, на которые я смотрел, имеют критическую высоту ~ 18 км и потолок ~ 28 км, а ~ 10 км - это потолок большинства поршней без турбонаддува, так что это имеет смысл. Есть ли физический предел того, как высоко мы можем достичь критической высоты, или 18k — это просто обычная цель из-за рыночных факторов?
Вы можете подняться выше, если добавите больше ступеней наддува. Истребители времен Второй мировой войны имели потолок службы до 30-х годов, а некоторые специальные самолеты с удлиненным крылом могли достигать 40-х годов. Проблема в том, что для гражданского самолета вам теперь нужно герметизировать его. Еще одно ограничение — охлаждение. Разреженный воздух становится проблемой для получения достаточного отвода тепла от цилиндров, а тепло было большим врагом многоступенчатых двигателей с наддувом с воздушным охлаждением на высоте более 30000 футов. Это не невозможно, но различные ограничения делают это непрактичным, когда реактивные двигатели справляются с работой намного лучше. .
@StephenS, есть несколько факторов. самолет, предназначенный для полета на высоте более 10 000 футов, нуждается в кислородной системе и специальных навигационных приборах, потому что там все воздушное пространство контролируется. Навигационные средства O2 и IFR очень дороги и усложняют бизнес-модель для небольших самолетов. Практический потолок в 18 000 футов более или менее типичен для поршневого самолета без турбонаддува, но наилучшая высота для этого же самолета будет где-то между 7500 и 10 000 футов, что по совпадению не требует приборов O2 или IFR.
@StephenS: Ограничение в 18 000 футов, вероятно, связано с тем, что это уровень, на котором все должно находиться под положительным контролем и IFR. 10K — это НЕ потолок для большинства небольших поршневых самолетов без турбонаддува. Если бы это было так, то вокруг много гор, в которые вы бы попали. 14K — более разумный предел. (Летая между этим местом и районом залива, я обычно использую 10 500 или 11 500, в зависимости от направления. И еще есть несколько близлежащих пиков выше 10 500.) FWIW, я летал в аэропорты, высота которых превышала 7500 футов, например Медный бассейн в Айдахо: airnav.com/airport/0U2
@CGCampbell Совершенно нормально и приемлемо писать ae вместо ä, когда вы не можете легко набирать ä на клавиатуре или из-за других ограничений. Обратное неверно: если что-то обычно пишется как ae, то вы не используете ä.
@CGCampbell Спасибо, что указали на это, но нельзя настаивать на таких странностях, как умлауты. Я не особенно возражаю против другого написания - оно используется в моих адресах электронной почты и кредитных картах из-за их негибкости.
Почему я должен добавить еще один ответ, когда ваш уже достаточно хорош? Я бы только ссылался на множество моих старых ответов, таких как этот или этот . Однако я бы никогда не сказал, что самолет должен лететь быстрее, чтобы создать достаточную подъемную силу для набора высоты.
Добавьте к этому, что самолет в форме типичной Cessna будет приближаться к пределу Маха на скорости сваливания, не намного, если вообще выше FL400. Это было ограничением для У-2 - планер был ограничен числом Маха, а абсолютный потолок был там, где вы не могли оставаться выше сваливания при этом числе Маха.
You can add an air compressor (called a turbocharger or supercharger) to a piston engine's intake to trick it into thinking it is breathing sea level air- Здесь нет никакой хитрости, добавляя компрессор перед воздухозаборником, вы на самом деле подаете в двигатель воздух с более высоким давлением - здесь нет приколов или уловок, самолет думает, что дышит более плотным воздухом, потому что это действительно так .
@ZeissIkon Cessna имеет гораздо меньшую нагрузку на крыло, чем U2 . Краткая проверка калькулятора TAS показывает, что его воздушная скорость Vbg не вызывает проблем на высоте 70000 футов .
@RobertDiGiovanni Итак, вы говорите, что если бы силовая установка была на высоте, вы могли бы летать со 152 или 172 до 70k и быть ниже предела Маха для планера, но выше сваливания? TAS не имеет значения для сваливания, это IAS - и Мах идет все ниже и ниже IAS по мере того, как воздух становится холоднее...
@ZeissIkon биплан поднялся на высоту более 55 000 футов в 1930-х годах. Самыми большими проблемами были холод и O2 для двигателя и пилота. Но с достаточной тягой, чтобы сделать IAS, планер Cessna мог летать. TAS будет около 400 узлов для IAS 65. Я бы добавил второе крыло к 172-му и попробовал электродвигатель. 60000 футов будет нормально.
@RobertDiGiovanni Хорошо, еще не совсем «в углу гроба», но недалеко от этого, если требуется TAS 400, чтобы оставаться выше киоска. Да, я знал о ранней работе Wiley Post со скафандром (хотя и не понимал, что он летал на биплане). Интересно, проверял ли кто-нибудь предел Маха для 172 (или, может быть, нам следует использовать 175RG).
@PeterKämpf, вертикальная составляющая тяги при наборе высоты носом вверх называется «подвешиванием самолета на опоре»?
Да, чтобы показать, насколько это верно, используйте подъем на 90°, который популярен среди авиамоделей. В этом случае вся подъемная сила создается винтом. Промежуточные углы набора высоты представляют собой только линейные комбинации набора высоты 90° и горизонтального полета.

Что ограничивает возможность маленького самолета летать на гораздо большей высоте?

Деньги.

введите описание изображения здесь

Мощность и подъемная сила на самолете уменьшаются с увеличением высоты, как показано на изображении выше, из моей бумажной копии только старая универская книга проф. Виттенберг. На высоте 20 000 футов доступно около 60 % взлетной мощности, на высоте 40 000 футов — около 35 %.

введите описание изображения здесь

Решение 1: установить турбо

Из Torenbeek, Synthesis of Subsonic Airplane Design, рис. 4-10: максимальная высота Piper Navajo, поршневой двигатель с турбонаддувом и без него. Вертикальную шкалу немного трудно читать, она увеличивается с 4000 футов до максимума 24000 футов. Чего достигает более дорогой турбированный двигатель, за счет сжатия тонкого всасываемого воздуха на высоте.

Решение 2: установить больше мощности, включая несколько турбонагнетателей.

Установите достаточную мощность для начала, и винтовой самолет с поршневым двигателем также может достигать 40 000 футов, как показывают данные для P -51 Mustang .

введите описание изображения здесь

Производительность

  • Максимальная скорость: 440 миль/ч (710 км/ч, 383 узла)
  • Крейсерская скорость: 362 мили в час (583 км/ч, 315 узлов)
  • Скорость сваливания: 100 миль/ч (160 км/ч, 87 узлов)
  • Дальность действия: 1650 миль (2660 км, 1434 миль) с внешними баками
  • Практический потолок: 41 900 футов (12 800 м)
  • Скороподъемность: 3200 футов/мин (16 м/с)
  • Подъемная сила: 14,6
  • Нагрузка на крыло: 39 фунтов/кв. фут (190 кг/м2)
  • Мощность/масса: 0,18 л.с./фунт (300 Вт/кг)
  • Рекомендуемый предел Маха 0,8

Практический потолок в 41 900 футов был достигнут благодаря двигателю Packard Merlin . Который больше не производится из-за того, что двигатели турбинного типа, такие как в PC-12, намного легче и дешевле при той же номинальной мощности. PC-12 достигает высоты 30 000 футов, но все же слишком дорог для среднего частного пилота Джо. .

Вывод: кидайте в него деньги, и он полетит выше...

Однако я не собираюсь отрицать относительно интересный ответ, я чувствую, что должен указать, что на самом деле это не отвечает на вопрос. Дело не в том, что такое потолок, а в том, что создает потолок. Вы начинаете намекать на ответ «из-за сжатия тонкого всасываемого воздуха на высоте», но не вдаетесь в подробности.
У Ta 152H был практический потолок 49 тыс. футов (с закисью азота), если вам нужен еще более экстремальный пример.
@CGCampbell «Мощность и подъемная сила самолета уменьшаются с увеличением высоты» - вот ответ.
Если самолет может взлететь, подъемная сила не будет ограничивать высоту, которую он может достичь, пока не сработает эффект Маха от угла гроба. На самом деле только мощность ограничивает высоту маленьких самолетов.

Предыдущие ответы дают отличный обзор ограничивающих факторов, касающихся полетов на большой высоте на самолетах гражданской авиации с двигателями, таких как небольшая Cessna.

Интересным может быть то, что люди использовали эти самолеты на высотах, превышающих исходный диапазон полета самолета. В частности, одно из применений, которое приходит на ум, было в специальных приложениях, таких как высотная аэрофотосъемка. Модифицированный Cessna Turbo Stationair использовался в таких высотных аэрофотосъемках и летал на высоте более 37 000 футов (11,3 км). Двигатель самолета, модифицированный для двухступенчатого турбокомпрессора, мог поддерживать достаточное давление в коллекторе для полета на таких высотах.

Салон самолета был практически лишен неиспользуемых, избыточных предметов (пять из шести мест) и другого разного и ненужного оборудования. Отсек для камеры, аэрофотоаппарат и оборудование для управления камерой, необходимые пилотажные приборы и радио, а также достаточное количество кислорода (баки) были предметами, перевозимыми на таких рейсах вместе с необходимым топливом. Владелец этого самолета отметил, что на таких высотах самолет летал не очень хорошо, но управляемо. Он также прокомментировал интересный вид сверху на коммерческий реактивный самолет, летящий на высоте ниже.

Также может представлять интерес другой, гораздо более легкий, значительно меньший по размеру, серийно выпускаемый, одноместный, без двигателясамолеты обычно летают на высоте значительно выше 40 000 футов (12,2 км). Это планеры, и в таких полетах необходим кислород. Хотя обычно они весят менее 600 фунтов (270 кг) (одна четвертая часть веса небольшой Cessna), они имеют больший размах крыльев (55 футов или около 17 м, более или менее) с в целом аналогичной площадью крыла по сравнению с небольшими Cessna. Самолет с двигателем Cessna. Пол Бикл, бывший директор Центра летных исследований НАСА в Драйдене, 25 февраля 1961 года поднял планер Schweizer 1-23E на высоту 46 267 футов (14,102 км). взлет до посадки. Рекорд Бикла по набранной высоте - 42 303 фута (12,894 км) - непревзойденный для одноместного планера. Он страдал от температуры наружного воздуха -65 градусов по Цельсию, из-за которой внутренняя часть его купола была покрыта инеем настолько, что он не мог видеть обширный вид перед собой. У него были только инструменты для управления полетом, и, поскольку он не мог закрыть вентиляционные отверстия кабины, он настолько замерз и отвлекался от холода, что с трудом обращал внимание на управление своим планером. Конечно, он был более внимателен, когда его купол расчищался в более теплом воздухе на меньшей высоте. Кроме того, 17 февраля 1986 года Роберт Харрис поднял одноместный планер Grob 102 на рекордную высоту 49 009 футов (14,94 км). Его полет также проходил на волне Сьерры. настолько замерз и отвлекался от холода, что с трудом обращал внимание на управление своим планером. Конечно, он был более внимателен, когда его купол расчищался в более теплом воздухе на меньшей высоте. Кроме того, 17 февраля 1986 года Роберт Харрис поднял одноместный планер Grob 102 на рекордную высоту 49 009 футов (14,94 км). Его полет также проходил на волне Сьерры. настолько замерз и отвлекался от холода, что с трудом обращал внимание на управление своим планером. Конечно, он был более внимателен, когда его купол расчищался в более теплом воздухе на меньшей высоте. Кроме того, 17 февраля 1986 года Роберт Харрис поднял одноместный планер Grob 102 на рекордную высоту 49 009 футов (14,94 км). Его полет также проходил на волне Сьерры.

В 1952 году Ларри Эдгар и Гарольд Клифорт установили рекорд высоты на двухместном планере Pratt-Read G-1, поднявшись на высоту 44 255 футов (13,489 км) в волне Сьерры. Однако 25 апреля 1955 года планер Пратт-Рид Ларри Эдгара был разрушен с подветренной стороны Сьерры облаком ротора на высоте 17 000 футов (5,2 км), когда он исследовал турбулентную структуру ротора у основания волны. Ускорение, которое он испытал, превышающее -20 g, сорвало его шлем, ботинки, перчатки и кислородную маску. Когда он дрейфовал вниз, он мог видеть, как части его планера поднимаются вверх, и опасался, что если он потянет за свой парашютный трос, его тоже может унести вверх. К счастью, он смог приземлиться с парашютом и выжил, не сломав ни одной кости. Крайне отрицательное ускорение частично повредило его зрение.

Как можно видеть, необходимо соблюдать все меры предосторожности при полете самолета в условиях, не входящих в исходный аэродинамический расчетный полетный диапазон самолета. Самолет будет летать, но тем не менее аэродинамическое управление имеет решающее значение. Это напоминает следующее предостережение, особенно верное в полете на большой высоте и слишком хорошо известное...

Авиация, хотя и не опасна сама по себе, в еще большей степени, чем море, ужасно не прощает никакой небрежности, неумения или небрежности.

Что мешает маленькому самолету, такому как Cessna или Piper, летать так же высоко, как реактивный самолет?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v