От чего зависит максимальная высота, на которую может подняться самолет?

Чем выше вы поднимаетесь, тем ниже становится плотность воздуха. Эта более низкая плотность приводит к меньшей подъемной силе при той же воздушной скорости и угле атаки. По сути, чем выше вы летите, тем выше становится ваша минимальная скорость. Поэтому во время подъема ваша скорость должна увеличиваться, чтобы компенсировать более низкую плотность воздуха. Пока вы можете летать быстрее, меньшая плотность на высоте может быть компенсирована.

По сути, есть две вещи, которые ограничивают вашу максимальную скорость: тяга и скорость звука, а вместе с ними и ваша максимальная высота.

Во-первых, это тяга; чем выше вы поднимаетесь, тем ниже тяга ваших двигателей. Вы можете заметить, что лобовое сопротивление также уменьшается с плотностью воздуха, но поскольку вы летите все быстрее и быстрее во время набора высоты, лобовое сопротивление совсем не уменьшается. Если ваша максимальная высота ограничена тягой, то в какой-то момент во время набора высоты тяга и сопротивление становятся почти равными, и на этом набор высоты прекращается. Когда вы больше не можете набирать высоту со скоростью более 100 футов в минуту (для винтовых самолетов) или 500 футов в минуту (для реактивных/турбовентиляторных самолетов), вы достигли своего потолка . Если максимальная высота самолета определяется тягой, для достижения абсолютного потолка потребуется очень много времени.

На больших высотах у двигателей с воздушным дыханием со временем возникнут трудности. Из-за более низкой плотности воздуха массовый расход через двигатель уменьшается до точки, при которой пламя гаснет.

Другим ограничением является скорость звука, по крайней мере, для дозвуковых самолетов. В процессе создания подъемной силы воздух, обтекающий верхнюю часть крыла, ускоряется. В какой-то момент, когда самолет все еще летит со скоростью ниже скорости звука, над крылом начнут формироваться ударные волны. Это приводит к увеличению лобового сопротивления и снижению подъемной силы. Таким образом, если в вашем распоряжении достаточно мощности двигателя, вы можете подняться на высоту, где ваша минимальная скорость будет одновременно и максимальной. Это называется угол гроба . В углу гроба:

• если вы будете лететь быстрее, вы превысите максимальное число Маха ($M_{mo}$) вашего самолета, что приводит к ударам на высокой скорости, вибрациям и возможной потере управления.
• если вы летите медленнее, максимальной подъемной силы, которую может обеспечить крыло, будет недостаточно для поддержания высоты. Спускайтесь, иначе самолет заглохнет.
• если вы полетите еще выше, вы будете слишком быстрым и слишком медленным одновременно.
• если вы поворачиваете, вы увеличиваете нагрузку на крыло, тем самым увеличивая минимальную скорость, необходимую для создания требуемой подъемной силы. Кроме того, внешнее крыло легко превысит максимальную скорость, в то время как внутреннее крыло будет ниже скорости сваливания. Это может быстро перерасти в вращение.

Поскольку необходимы точные данные о характеристиках двигателя, лобового сопротивления и характеристик крыла самолета, простой формулы для определения максимальной высоты полета самолета не существует.

Помимо приведенных выше ограничений, связанных с летно-техническими характеристиками самолета, существует сертифицированная максимальная рабочая высота для герметичной кабины. При этом учитываются конструктивные свойства корпуса (разность давлений внутри и снаружи) и достижимая скорость аварийного снижения в случае разгерметизации.

Максимальная высота ограничена рядом факторов, и тот, который учитывается, зависит от конкретного самолета. Эти:

1. Выходная мощность двигателя . Воздушно-реактивные двигатели производят меньше энергии, чем выше они работают, из-за уменьшения плотности с высотой. В поршневых двигателях это можно преодолеть с помощью турбонаддува, а в специальных высотных поршневых двигателях используются трехступенчатые турбокомпрессоры с промежуточными охладителями. В специальных высотных конструкциях двигатель является наименьшей частью силовой установки, большая часть - это охлаждение и воздуховоды. Пропеллер должен быть адаптирован к низкой плотности на большой высоте, увеличивая диаметр для работы в воздухе с низкой плотностью.

2. Давление в камере сгорания : предел высоты реактивных двигателей в основном определяется соотношением давлений на впуске и компрессоре. Если это давление упадет ниже минимума для устойчивого сгорания, двигатель заглохнет. Поскольку реактивные двигатели в принципе представляют собой большой турбонагнетатель, в котором поршневой двигатель заменен камерой сгорания, эта камера сгорания становится слабым звеном.

3. Нагрузка на крыло : чем ниже нагрузка на крыло, тем ниже может стать плотность воздуха, прежде чем крыло перестанет создавать достаточную подъемную силу. Если двигатели производят достаточную мощность для продолжительного полета (например, электрическая силовая установка с солнечными панелями), пределом становится структурная целостность легкой конструкции. См. этот ответ для прикладного примера.

4. Максимальное число Маха полета : для сверхзвуковых самолетов ограничение определяется комбинацией нагрузки на крыло и максимальной скорости. Чем быстрее может летать самолет, тем ниже может быть плотность воздуха. В большинстве случаев ограничение скорости определяется эффективностью воздухозаборника, поскольку воздухозаборники необходимо оптимизировать для их числа Маха полета и тепловых ограничений из-за нагрева планера. Обратите внимание, что быстрый самолет с запасом подъемной силы может выполнять подтягивание на высоте, преобразовывая кинетическую энергию в потенциальную энергию (также известную как высота), поэтому максимальная высота в стационарном режиме может быть на несколько 1000 м выше предела стационарной высоты.

5. Аэродинамическая эффективность : это единственный фактор, для которого я могу дать вам простое уравнение, и он определяется аэродинамическими качествами крыла и его аэродинамического профиля. Это относится к дозвуковому полету, когда увеличение числа Маха сверх критического полета приведет к уменьшению подъемной силы . Выражается как минимальная плотность воздуха$\rho_{min}$, Это

   $$\rho_{min} = \frac{2\cdot m\cdot g}{(Mach^2 \cdot c_L)_{max}\cdot a^2\cdot S}$$

Здесь мы снова находим нагрузку на крыло$\frac{m}{S}$как множитель, но и максимум произведения квадрата числа Маха полета$Ma^2$и коэффициент подъемной силы$c_L$.$a$это скорость звука. Хорошее значение$Mach^2 \cdot c_L$составляет 0,4, и для его достижения необходимы сверхкритические профили. Используйте это число для современных конструкций, и вы получите довольно точный ответ, достаточна ли тяга двигателя. Для более старых моделей лучше подходят значения от 0,3 до 0,35. Самые ранние конструкции с плохой аэродинамикой, такие как Westland Welkin , могли достичь только$Mach^2 \cdot c_L$ниже 0,2.

В самой простой форме максимальная высота самолета — это точка, в которой требуемая тяга равна доступной тяге . Это сравнивает тягу, необходимую для поддержания воздушной скорости и высоты, с тягой двигателей. Поскольку воздушно-реактивные двигатели имеют тенденцию производить меньшую тягу с увеличением высоты, это означает, что доступная тяга уменьшается с высотой. В какой-то момент самолет будет иметь минимально возможное сопротивление в горизонтальном полете и использовать всю доступную тягу.

Как указывает Кейси, будет много других факторов, таких как способность самолета оставаться под давлением, способность двигателя поддерживать определенный уровень тяги и атмосферные условия.

Однако, если вы ищете абсолютную максимальную высоту, которую он может достичь, но не обязательно поддерживать, это становится намного сложнее. Это будет определяться максимальным количеством энергии, которое может достичь самолет, как по высоте, так и по скорости полета. Самолет может пикировать или оставаться на более низкой высоте, чтобы набрать скорость, а затем набирать высоту, обменивая эту скорость на высоту, достигая большей высоты, чем он может поддерживать ( см . высоте, чем он мог фактически поддерживать).

Абсолютная максимальная высота, которую может поднять самолет, ограничена только подъемной силой, которую он может создать. Это будет функция крыла (и это может объяснить один из наших штатных инженеров) и воздушного потока над крылом. Воздушный поток, в свою очередь, зависит от вашей высоты (плотности воздуха) и скорости полета. Воздушная скорость, в свою очередь, зависит от вашей тяги, сопротивления и т. д. Короче говоря, подъемная сила, которую вы можете создать, косвенно зависит от многих вещей, и это будет определять физический предел максимальной высоты.

Обратите внимание, что максимальная высота, определяемая вашим подъемником, является максимальной непрерывной высотой. Если у вас есть инерция, вы можете использовать ее, чтобы подняться выше этой высоты для коротких экскурсий, но вы не сможете поддерживать высоту выше этого предела.

Обратите внимание, что эта высота не является практическим потолком самолета, который будет ниже из-за порогов скороподъемности (например, 100 футов в минуту) или проблем с сертификацией (например, 25 000 футов для требований по герметизации/кислороду).

На безмоторный самолет не распространяются два из пяти ограничивающих факторов, указанных в исчерпывающем ответе Петера Кемпфа . Текущий рекорд высоты дозвукового горизонтального полета принадлежит планеру Perlan II, который в сентябре 2018 года достиг 76 124 футов, превысив рекорд U2 в 73 737 футов. Если Perlan II достигнет расчетного предела высоты в 90 000 футов, он превысит рекорд высоты горизонтального полета SR-71 (сверхзвуковой) в 85 068 футов.

Perlan II, хотя и является узкоспециализированным и имеет герметичный фюзеляж, по внешнему виду не сильно отличается от планера открытого класса. Наиболее существенное отличие заключается в аэродинамическом профиле, который оптимизирован для полета на высоте 60 000 футов. Это также приводит к значительно более широкому диапазону воздушной скорости на экстремальных высотах («угол гроба», упомянутый в других ответах), чем у U-2, который на рабочей высоте имел диапазон летной скорости всего 5 узлов.