Почему многие реактивные самолеты рассчитаны на полеты на эшелонах полета FL350-370?

Одним словом, тропопауза .

Эффективность газотурбинного двигателя повышается с более холодным и плотным воздухом. Когда самолет поднимается по тропосфере, плотность и температура падают, и потеря плотности более чем компенсируется более низкой температурой. Однако выше тропопаузы плотность продолжает падать, в то время как температура остается (приблизительно) постоянной.

В модели стандартной атмосферы США это происходит на высоте 36 089 футов. Это представляет собой локальную (возможно, глобальную) оптимальную высоту для эффективности (и если есть лучший оптимум на большей высоте, он недоступен по другим причинам).

Есть несколько факторов, которые влияют на самолет в зависимости от его крейсерской высоты.

Крейсерская высота напрямую влияет на наддув и аэродинамику самолета. Чтобы поддерживать высоту кабины от 6000 до 8000 футов, фюзеляж должен был выдерживать более высокий перепад давления. Это потребует больше материала и сделает самолет тяжелее. Новые материалы, используемые в самолетах 787 и A350, лучше справляются с этими нагрузками, что обеспечивает более высокий перепад давления и большие окна.

Высота также влияет на аэродинамику. Самолеты обычно совершают крейсерский полет с определенным числом Маха на больших высотах. Указанная воздушная скорость для определенного числа Маха становится ниже с большей высотой. Это может привести к меньшему лобовому сопротивлению, но создает проблемы, поскольку воздушная скорость падает ниже. См.: Что определяет максимальную высоту, которую может поднять самолет?

Кроме того, см . ответ Питера Кемпфа для более подробной информации об аэродинамических аспектах.

На больших высотах для двигателей доступно меньше воздуха, что снижает доступную мощность. Наряду с этим есть преимущества эффективности. См.: Почему реактивные двигатели лучше расходуют топливо на больших высотах?

Как объясняет ответ Гилли Дху , эти преимущества перестают увеличиваться примерно на FL360.

Недостаток пригодного для дыхания кислорода и повышенные силы давления на фюзеляж, вызванные более низким давлением воздуха, также приводят к большему риску, что приводит к ужесточению правил для самолетов, намеревающихся летать выше. Эти правила добавят дополнительные расходы на полеты выше, что повлияет на решения о потолках услуг.

§ 25.365

(d) Конструкция самолета должна быть спроектирована таким образом, чтобы выдерживать нагрузки от перепада давления, соответствующие максимальной настройке предохранительного клапана, умноженной на коэффициент 1,33 для самолетов, допущенных к полетам на высоте до 45 000 футов, или на коэффициент 1,67 для самолетов до быть одобрен для эксплуатации на высоте более 45 000 футов, исключая другие нагрузки.

Таким образом, для самолетов, летающих на высоте более 45 000 футов, конструкция должна выдерживать еще более высокий коэффициент нагрузки от давления.

§ 25.1441

(d) Расход кислорода и кислородное оборудование для самолетов, для которых требуется сертификация для эксплуатации на высоте более 40 000 футов, должны быть одобрены.

Самолеты, летающие на высоте более 40 000 футов, должны получить специальное разрешение на использование кислородной системы.

§ 25.841

(2) Самолет должен быть сконструирован таким образом, чтобы пассажиры не подвергались воздействию барометрической высоты кабины, превышающей следующие значения после декомпрессии из любого условия отказа, не являющегося крайне маловероятным:
(i) Двадцать пять тысяч (25 000) футов для более более 2 минут; или
(ii) Сорок тысяч (40 000) футов на любой срок.

Высота кабины не может превышать 40 000 футов ни при каких условиях, которые не являются крайне невероятными. Чем выше летит самолет, тем сложнее будет это сертифицировать.

Бизнес-джеты, как правило, имеют большую крейсерскую высоту, потому что меньшую конструкцию легче укрепить для более высоких давлений и, как правило, выдерживает меньше циклов нагрузки. Эффективность также не так важна, как скорость и комфорт, поэтому можно сэкономить некоторый вес для более прочного фюзеляжа. Большая высота также обеспечивает большую гибкость при маршрутизации, поскольку большинство других перевозок, включая коммерческие авиалайнеры, курсируют на более низких высотах. Бизнес-джеты также могут быть сертифицированы в соответствии с менее строгими правилами.

Я знаю, что уже есть принятый ответ, но некоторые ключевые факты отсутствуют.

В основном, оптимальная крейсерская высота – это когда требования к тяге и подъемной силе для взлета и крейсерского полета хорошо сбалансированы. Дополнительным преимуществом является более холодный воздух, что повышает эффективность тепловых двигателей .

С увеличением высоты полета авиалайнеру необходимо:

1. Мощные двигатели для создания необходимой тяги в разреженном воздухе
2. Большие крылья для создания необходимой подъемной силы

Вместе с крыльями вырастет и размер хвостового оперения; один только этот эффект, вероятно, будет иметь больший вес, чем усиление конструкции фюзеляжа для увеличения давления в кабине. Полет выше сделает почти все части больше и тяжелее.

Обратите внимание, что 0,85 Маха - это жесткий предел для эффективного полета; авиалайнеры не могут компенсировать меньшую плотность за счет более быстрого полета. Единственный способ обеспечить более высокие уровни полета — это прикрепить большие крылья и хвосты.

Еще одним соображением является формула Бреге: реактивный самолет имеет оптимальный коэффициент крейсерской подъемной силы при значении$c_L = \sqrt{0.6\cdot c_{D0}\cdot\pi\cdot AR\cdot\epsilon}$, если предположить, что тяга двигателей большой степени двухконтурности изменяется со скоростью, пропорциональной$\text{v}^{-0.5}$, что является разумным предположением. Это означает, что авиалайнер не может летать выше, летая с более высоким коэффициентом подъемной силы: это снизит эффективность.

(Номенклатура:$c_{D0}$= сопротивление нулевой подъемной силы,$AR$= удлинение крыла,$\epsilon$= эффективность размаха, v = скорость полета)

С размером крыла и двигателями, необходимыми для полета со скоростью 0,82 Маха в тропопаузе (0,85 Маха действительно не так эффективны; перейдите по ссылке , чтобы узнать, почему это заявленная крейсерская скорость для дальнемагистральных авиалайнеров), взлетная дистанция вполне разумно и примерно соответствует аэропортам, которые были определены НАТО во время холодной войны. Полет выше в стратосферу увеличил бы массу самолета из-за более крупных двигателей и крыльев, но не привел бы к повышению эффективности за счет увеличения крейсерской высоты в тропосфере, где температура падает с высотой.

И наоборот, выбор меньшей расчетной крейсерской высоты позволит уменьшить размеры крыльев и двигателей, но это приведет к:

1. Более высокие взлетная и посадочная скорости, а также критические скорости при взлете за счет меньшего размера крыла,
2. Более низкое взлетное ускорение из-за двигателей меньшего размера,
3. Для близнецов: Недостаточно тяги при взлете при отказе одного двигателя,
4. Меньшая скорость набора высоты, поэтому для достижения крейсерской высоты потребуется больше времени, и
5. Не в полной мере использовать преимущества холодного воздуха в тропопаузе.

Проектирование для более низкой крейсерской высоты приведет к гораздо более длинным взлетно-посадочным полосам и менее эффективному полету в целом.

Проектирование для круиза в тропопаузе — просто наилучшее место для конструкторов авиалайнеров, где все условия хорошо сочетаются и дают сбалансированный результат.

Как упоминалось в комментарии выше, я не уверен, откуда вы берете ссылку на FL400, но вот несколько распространенных причин для полета выше (не обязательно FL400):

• Экономия топлива (более эффективные полеты на больших высотах -- см. Ссылка
• Более высокая истинная скорость полета
• Преодолейте любую погоду/турбулентность/обледенение
• Улучшенный прием NAVAID/comm
• Лучшая видимость
• Большая высота для лучшей дальности планирования (да, не так уж много для авиалайнеров, но подумайте о SE)
• Меньше трафика

Некоторые недостатки могут включать:

• Более подвержен остановке компрессора
• Потеря большей высоты при падении давления в кабине/быстрой декомпрессии
• Хуже погоды, включая обледенение
• Должен быть оборудован RVSM (при полете до FL410).