Почему тогда самолеты не летают еще выше, для еще большей эффективности? [дубликат]

У некоторых есть (или были в прошлом), но очень большие высоты создают свои проблемы. Исторически Concorde курсировал где-то от FL550 до FL600, и ему фактически разрешалось подниматься и спускаться по своему усмотрению там, поскольку они были полностью свободны от любого движения . Однако увеличение перепада давления на планере, а также сверхзвуковой полет означали, что планер подвергался гораздо большему износу за цикл, чем его собратья с меньшей высотой.

В какой-то момент вы приближаетесь к углу гроба , в котором, даже если у вас достаточно тяги, ваша скорость сваливания превышает ваше критическое число Маха (фактически ваше крыло не может работать правильно). Самолет - разведчик U2 способен летать прямо на эту кромку .

Одним из больших практических ограничивающих факторов также является требование быстрого снижения для сертификации планера. FAA требует, чтобы в случае разгерметизации самолет мог снизиться до 10 000 футов (высота без кислорода) за 10 минут, как описано здесь . Чем выше вы поднимаетесь, тем быстрее должен быть аварийный спуск, в конечном итоге это становится инженерной проблемой, и планер становится ограничивающим фактором, поскольку вы не хотите превышать Vne в пикировании.

Пожалуйста, соблюдайте высоту потолка .

Выше этой высоты самолет не может лететь достаточно быстро, чтобы создать достаточную подъемную силу, чтобы оставаться в воздухе.

На это влияет:

• вес (чем больше вес, тем больше подъемная сила)
• мощность двигателя (большая подъемная сила означает большее сопротивление, которое преодолевается мощностью двигателя)
• Отношение L/D (если у вас может быть меньшее сопротивление для той же подъемной силы, вы можете лететь немного выше, при прочих равных условиях)

Таким образом, в целом, двигатели становятся лучше, но вы получаете больше, летая немного ниже, на вашей идеальной крейсерской скорости, и, таким образом, потребляя меньше.

Просто хочу перейти с ответом (а не с комментарием), поскольку кажется, что несколько ответов могут захотеть предположить, что максимальный потолок для текущего самолета продиктован (доступной) мощностью двигателя.

Полеты на больших высотах: да, вы теряете плотность, да, вы теряете немного подъемной силы из-за этого, и да, вам нужно будет лететь быстрее, чтобы создать эту подъемную силу. Самолету все равно: эта более высокая скорость сочетается с уменьшением плотности. Это означает, что крыло будет испытывать то же динамическое давление и испытывать те же аэродинамические силы, что и на земле . Вот почему в первую очередь существует разница между IAS и TAS. То же соотношение L/D означает, что вы создаете такую ​​же подъемную силу и такое же сопротивление (хорошо, почти), как и на уровне моря.

И хотя это может иметь значение для поршневого/винтового двигателя, реактивный двигатель обеспечивает не постоянную мощность, а постоянную тягу. Это означает , что двигатели сообщают самолету одну и ту же Силу, независимо от того, насколько быстро мы движемся .

Так где же подвох для потолка самолета? Сжимаемость . Как только вы начинаете учитывать сжимаемость (которая становится важной на больших высотах), IAS становится EAS, и крыло может начать сваливаться даже на указанной скорости 300 уз. Поднимитесь достаточно высоко и довольно скоро ваше крыло заглохнет даже на сверхзвуковой скорости. Максимальная скорость и минимальная скорость встретятся, и вы окажетесь в страшном углу гроба.

Обратите внимание, что проблема почти полностью аэродинамическая и может быть решена лучшими крыльями, а не двигателями или мощностью.

(.. тогда, конечно, в какой-то момент вашим двигателям будет не хватать кислорода, что сделает мою точку зрения излишней, но это не то, почему самолеты текущего поколения не могут летать выше в данный момент)

Вы правильно понимаете, что авиакомпании в первую очередь летают выше, чтобы иметь более эффективный полет, так как сопротивление значительно меньше из-за разрежения атмосферы.

Объяснение:

Тем не менее, есть пара проблем, которые растут по мере того, как вы поднимаетесь на высоту. Ваши крылья и двигатели более эффективно обеспечивают подъемную силу и тягу соответственно на более низких высотах. Крылья создают подъемную силу за счет разницы давлений воздуха над крыльями и под ними. Когда вы увеличиваете высоту, ваши крылья становятся менее эффективными, потому что, хотя сопротивление меньше, вам теперь нужно увеличить скорость воздуха, проходящего через ваши крылья, чтобы сохранить то же давление, которое затем создает ту же подъемную силу.

Сверхзвуковой полет (полет со скоростью более 1 Маха) существенно отличается от дозвукового полета. Воздух отделится от крыла, когда преодолеет звуковой барьер, и, таким образом, вы потеряете подъемную силу. Как было сказано в предыдущем абзаце, по мере увеличения высоты вам необходимо увеличивать скорость. Затем, когда вы приближаетесь к 1 Маха, сопротивление увеличивается экспоненциально. Средняя крейсерская скорость реактивного лайнера составляет 0,75 Маха, так что вы можете видеть, что мы уже достаточно близко для комфорта к этому барьеру.

Сами двигатели также зависят от проходящего через них воздуха для обеспечения тяги и становятся менее эффективными на больших высотах.

Вкратце:

Короче говоря, это действительно становится актом балансирования, когда вы должны определить, стоит ли дополнительная высота и скорость резкого увеличения топлива, необходимого для питания двигателей, чтобы вы могли достичь подходящей скорости для вашей высоты. С сегодняшними технологиями это не считается рентабельным.

Для сравнения, сверхзвуковой «Конкорд» достиг высоты примерно 60 000 футов, а дозвуковой «747» — примерно 45 000 футов.

Если бы самолеты летали значительно выше, чем сегодня, они бы летали в стратосфере. Загрязнение в стратосфере имеет гораздо большее глобальное воздействие, чем в тропосфере, поскольку загрязняющие вещества остаются там намного дольше (более длительное время пребывания). Если бы у самолетов не было других причин избегать стратосферы, воздействие на окружающую среду было бы очень хорошей причиной, чтобы не пускать их туда.

Хотя между тропосферой и стратосферой существует некоторый обмен воздухом , он намного меньше, чем обмен воздуха внутри тропосферы, происходящий все время из-за погоды. Европейское агентство по окружающей среде объясняет, как когда загрязняющие вещества попадают в стратосферу, они могут оставаться там годами или даже десятилетиями. Загрязняющие вещества в нижней тропосфере могут оставаться только в течение нескольких дней или недель.

Несколько десятилетий назад существовали опасения, что широкомасштабные полеты в стратосферу вызовут значительное загрязнение стратосферы, в том числе разрушение озонового слоя. Поскольку широкое распространение авиации в стратосфере так и не было реализовано, новых источников по этой теме не так много:

• Сверхзвуковые планы угрожают озоновому слою , июнь 1990 г.
• Следует ли запретить полеты в стратосфере? , New Scientist, апрель 1994 г.
• Воздействие стратосферного полета на окружающую среду , Национальный исследовательский совет. 1975 г.

Однако через стратосферу всегда проходит один тип полета: космические запуски. В индустрии космических полетов загрязнение стратосферы рассматривается более конкретно. Например:

• Время очистить воздух о загрязнении при запуске , Space News, июль 2018 г .:

Большая часть антропогенных загрязнений сосредоточена на поверхности Земли или вблизи нее, будь то на суше, в море или в тропосфере, самом нижнем слое атмосферы. Однако ракеты выбрасывают различные газы и частицы прямо на все уровни стратосферы, что является единственной промышленной деятельностью, которая делает это. Стратосфера простирается примерно от 10 до 50 километров над поверхностью Земли и содержит озоновый слой Земли. Мировой флот гражданской авиации обычно курсирует в тропосфере, лишь изредка загрязняя стратосферу напрямую.

Для получения подробной информации об этих процессах вы можете обратиться на Stack Exchange по наукам о Земле .

максимальная высота для экономичного крейсерского полета определяется технологией двигателя. все воздушно-реактивные двигатели теряют мощность с увеличением высоты, что ограничивает способность двигателей поддерживать полет. поэтому для любого данного класса двигателей (поршневые, поршневые с турбонаддувом, турбореактивные, турбовентиляторные, турбовинтовые и т. д.) существует соответствующая максимальная крейсерская высота.