Каковы ограничивающие факторы для высотных самолетов (например, U2 или SR71), не позволяющие им подниматься выше?

Ограничивающий фактор для дозвуковых самолетов, в том числе и У-2, хорошо разъяснен здесь .

Для сверхзвуковых самолетов в этом ответе просто говорится, что пределом является «сочетание нагрузки на крыло и максимальной скорости». Если вы посмотрите на диапазон полета SR-71 ниже, станет ясно, что большую высоту лучше всего покупать с большей скоростью.

Огибающая полета SR-71 ( источник изображения ). Гудение башни на 3 Маха явно невозможно.

Ограничения сверхзвуковой скорости

1. Конструкция впуска: если кинетическая энергия потока не может быть эффективно преобразована в давление на впуске , тяга пострадает и упадет, когда число Маха полета увеличится за пределами впуска .
2. Эффективность планера: если стреловидность передней кромки поверхностей полета недостаточно высока, чтобы удерживать эти передние кромки в пределах конуса Маха, сопротивление будет увеличиваться и ограничивать максимальную скорость конструкции. Стремление достичь скорости 2+ Маха было движущей силой многих конструкций поворотного крыла 1960-х годов.
3. Температура сжатого газа: когда нагрев от сжатия на впуске приближает температуру газа к температуре его диссоциации, химическая энергия топлива не может быть полностью преобразована в тепло. Это снижает КПД двигателя и является причиной сверхзвукового сгорания в конструкциях для скоростей, превышающих 4 или 5 Маха.
4. Аэродинамический нагрев: металлы и композиты демонстрируют снижение прочности при повышении температуры . Летать достаточно быстро какое-то время, и конструкция не выдерживает полетных нагрузок, даже если динамическое давление поддерживается постоянным.

Порядок, в котором я перечислил эти ограничения, ранжирует их с возрастающей скоростью. Как только вы выйдете за пределы 1,6 Маха, каждую последующую десятую числа Маха высшего полета придется покупать с растущими затратами и компромиссами. Превысить скорость 5 Маха с помощью современных технологий можно будет только с помощью ракет , поэтому эти конструкции быстро превращаются в низкоорбитальные спутники. В конце концов, просто не стоит расширять границы еще больше.

РЕДАКТИРОВАТЬ: кажется, что ответ недостаточно ясен. Если мы проведем мысленный эксперимент и модифицируем SR-71 для достижения больших высот, возможны следующие варианты:

1. Просто потяните за ручку: это помогает в краткосрочной перспективе, но полет на месте с меньшей плотностью потребует более высокого коэффициента подъемной силы и более высокого угла атаки. Это снизит общую L/D самолета и замедлит его, потому что двигатели не смогут развивать достаточную тягу.
2. Увеличьте тягу двигателя: это можно было попробовать в полете, выдвинув дроссели на максимальной скорости, и самолет ускорился. Однако это быстро превысит предел температуры на входе в компрессор , что приведет к сокращению срока службы или даже к повреждению горячей секции двигателя. Далее пострадает дальность полета из-за более высокого расхода топлива. При доработке двигателя за счет использования более качественных материалов возможно умеренное увеличение крейсерского Маха и, следовательно, высоты полета.
3. Меньшая нагрузка на крыло: более легкий самолет может летать с меньшей плотностью при прочих равных условиях. В конце полета SR-71 мог достичь максимальной высоты, как и любой другой самолет . Однако структурные изменения, направленные на облегчение конструкции, помимо удаления всего разведывательного оборудования , имели бы лишь ограниченный потенциал: SR-71 уже был спроектирован эффективно, поэтому потенциал для снижения веса без ущерба для прочности конструкции очень мал. А удаление камер и радаров бокового обзора лишило бы самолет его эксплуатационной ценности.

На высоте более 100 000 футов воздуха почти нет, поэтому нет кислорода для сжигания двигателей с воздушным дыханием, нет воздуха для создания подъемной силы или для реагирующих поверхностей управления.

В 1960-х годах у ВВС США было два исследовательских самолета, высота которых могла превышать 100 000 футов. Могло быть и больше, но вот два, которые я помню:

NF - 104 мог пролететь чуть более 100 000 футов, используя ракетный двигатель на высоте более 70 000 футов для приведения в движение и небольшие реактивные ракеты для управления ориентацией. Он был построен как недорогой учебно-тренировочный самолет X-15, поскольку его высокие полеты имитировали рабочие характеристики X-15.

X-15 мог преодолевать значительно более 100 000 футов, постоянно используя ракетный двигатель (после запуска с B52) и небольшие реактивные ракеты для обеспечения ориентации.

Дело в том, что к тому времени, когда эти самолеты преодолели высоту 100 000 футов, они уже не летали. Они двигались по баллистической дуге, приводились в движение ракетой и удерживались в воздухе исключительно за счет инерции, а не подъемной силы.

Так вот - почему U2 и SR71 выше не летали? Одна из причин заключается в том, что им потребуются ракетные двигатели с окислителем на борту для приведения в движение, которое имеет довольно малый радиус действия и очень темпераментно.

Требование к ракетной силовой установке свело бы на нет основное преимущество обоих самолетов: способность оставаться на большой высоте в течение длительного периода времени.

В случае U-2 и SR-71 высота, на которой они работают, обеспечивает защиту от угроз и, что более важно, зону покрытия для датчиков ISR (разведки, наблюдения и рекогносцировки). Переход на высоту 100 000 футов не дает значительного преимущества разведке и не обеспечивает большей защиты от угроз.

Практические потолки могут быть преодолены путем предоставления различных силовых установок. ECS (экологический контроль) может быть переработан (при необходимости) для работы на больших высотах.

Редактирование № 2: В конкретном случае SR-71 возможности тяги и площадь поверхности крыла ограничивали максимальный продолжительный полет. Практически это было чуть ниже 85 000 футов. Однако в определенных ситуациях летали на более высоких высотах.

Редактирование № 1: Выше примерно 100 000 футов плотность атмосферы падает, что накладывает практическое ограничение на работу силовой установки с аэродинамическим профилем и воздушным дыханием.

Насколько я понимаю, работая большую часть своей карьеры с SR-71, U-2 и спутниковыми активами, реальная проблема заключается в том, что не была установлена ​​потребность в самолетах, чтобы подняться выше, и, следовательно, нет никакого экономического обоснования для разработать самолет для этого.