O que determina a altitude máxima que um avião pode atingir?

Quanto mais alto você fica, menor a densidade do ar. Essa densidade mais baixa resulta em uma elevação menor sendo gerada para a mesma velocidade e ângulo de ataque. Efetivamente, quanto mais alto você voar, maior será a sua velocidade mínima. Portanto, ao subir, sua velocidade precisa aumentar para compensar a menor densidade do ar. Desde que você possa voar mais rápido, a menor densidade em altitude pode ser compensada.

Basicamente, existem duas coisas que limitam sua velocidade máxima: impulso e velocidade do som e, com isso, sua altitude máxima.

Primeiro é o impulso; quanto mais alto você fica, menor o impulso que seus motores oferecem. Você pode notar que o arrasto também diminui com a densidade do ar, mas como você está voando cada vez mais rápido durante a subida, o arrasto não diminui. Se sua altitude máxima é limitada pelo impulso, em algum momento durante a escalada, o empuxo e o arrasto estão quase iguais e é aí que a escalada para. Quando você não puder mais subir com mais de 100ft por minuto (para aeronaves a hélice) ou 500ft por minuto (para aeronaves a jato / turbofan), você alcançou o seu teto de serviço. Se a altitude máxima da aeronave for determinada por empuxo, o teto absoluto levará muito tempo para atingir.

Em grandes altitudes, os motores de respiração a ar terão dificuldades. Devido à menor densidade do ar, o fluxo de massa através do motor é reduzido até um ponto em que causa uma chama.

A outra limitação é a velocidade do som, pelo menos para aeronaves subsônicas. No processo de geração de sustentação, o ar que flui por cima da asa é acelerado. A certa altura, quando a aeronave ainda estiver voando abaixo da velocidade do som, ondas de choque começarão a se formar sobre a asa. Isso resulta em aumento do arrasto e reduz a elevação. Portanto, desde que você tenha potência de motor suficiente à sua disposição, poderá subir a uma altitude em que sua velocidade mínima também seja a sua velocidade máxima. Isso é chamado de canto do caixão. No canto do caixão:

• se você voar mais rápido, excederá o número máximo de Mach ($ M_ {mo} $) da sua aeronave, resultando em buffet de alta velocidade, vibrações e possível perda de controle.
• se você voar mais devagar, a sustentação máxima que a asa pode oferecer será insuficiente para manter a altitude. Descida ou a aeronave irá parar.
• se você voar mais alto e será muito rápido e muito lento ao mesmo tempo.
• se você virar, aumentará a carga da asa, aumentando assim a velocidade mínima necessária para criar a elevação necessária. Além disso, a asa externa excederá facilmente a velocidade máxima e, ao mesmo tempo, a asa interna estiver abaixo da velocidade de estol. Isso pode se transformar rapidamente em um giro.

Como o conhecimento preciso do desempenho do motor, as características de arrasto e asa da aeronave são necessários, não existe uma fórmula simples para derivar a altitude máxima para uma aeronave.

Além das limitações relacionadas ao desempenho da aeronave acima, existe uma altitude operacional máxima certificada para a cabine pressurizada. Isso leva em consideração as propriedades estruturais do casco (diferença de pressão entre dentro e fora) e a taxa de descida de emergência alcançável no caso de um evento de despressurização.

A altitude máxima é limitada por vários fatores, e o que conta depende da aeronave em particular. Esses são:

1. Potência do motor. Os motores de respirar ar produzem menos energia quanto mais alto eles operam devido à diminuição da densidade com a altitude. Nos motores alternativos, isso pode ser superado com turboalimentação, e os motores de pistão de alta altitude dedicados usam turbocompressores de estágio triplo com intercoolers. Em projetos dedicados a grandes altitudes, o motor é a menor parte do pacote de propulsão, a maioria é refrigeração e dutos. A hélice deve corresponder à baixa densidade em alta altitude, aumentando o diâmetro para operação em ar de baixa densidade.

2. Pressão da câmara de combustão: O limite de altitude dos motores a jato é determinado principalmente pela razão de pressão da entrada e do compressor. Se essa pressão cair abaixo do mínimo para uma combustão sustentada, o motor irá queimar. Como os motores a jato são, em princípio, um grande turbocompressor, onde o motor a pistão foi substituído por uma câmara de combustão, essa câmara de combustão se torna o elo mais fraco.

3. Carregamento de asa: Quanto menor a carga da asa, menor a densidade do ar pode se tornar antes que uma asa deixe de produzir sustentação suficiente. Se os motores produzem energia suficiente para o vôo sustentado (propulsão elétrica com painéis solares, por exemplo), o limite se torna a integridade estrutural da estrutura de luz. Vejo esta resposta para um exemplo aplicado.

4. Número máximo de Mach do voo: Para aeronaves supersônicas, o limite é determinado por uma combinação de carga de asa e velocidade máxima. Quanto mais rápido a aeronave puder voar, menor será a densidade do ar. Na maioria dos casos, o limite de velocidade é dado pela eficiência da entrada, porque as entradas precisam ser otimizadas para o seu número Mache limites térmicos devido ao aquecimento da estrutura da aeronave. Observe que uma aeronave rápida com reservas de sustentação pode executar um pull-up em altitude, convertendo energia cinética em energia potencial (também conhecida como altitude), de modo que a altitude máxima instacional pode estar vários 1000 m acima do limite de altitude estacionário.

5. Eficiência aerodinâmica: Esse é o único fator em que posso fornecer uma equação simples e é determinada pela qualidade aerodinâmica da asa e de seu aerofólio. Aplica-se ao vôo subsônico onde um aumentar acima de um número crítico de voo Mach reduzirá a elevação. Expressa como a densidade mínima do ar $ \ rho_ {min} $, é $$ \ rho_ {min} = \ frac {2 \ cdot m \ cdot g} {(Mach ^ 2 \ cdot c_L) _ {max} \ cdot a ^ 2 \ cdot S} $$

Aqui encontramos novamente a asa carregando $ \ frac {m} {S} $ como um fator, mas também o máximo do produto do quadrado do vôo Mach number $ Ma ^ 2 $ e o coeficiente de sustentação $ c_L $. $ a $ é a velocidade do som. Um bom valor de $ Mach ^ 2 \ cdot c_L $ é 0.4 e precisa de aerofólios supercríticos para ser alcançado. Use esse número para projetos modernos e você obterá uma resposta bastante precisa se a pressão do motor for suficiente. Para projetos mais antigos, os valores entre 0.3 e 0.35 são mais adequados. Projetos muito antigos com aerodinâmica ruim, como o Westland Welkin atingiria apenas $ Mach ^ 2 \ cdot c_L $ abaixo de 0.2.

Na forma mais básica, a altitude máxima da aeronave é o ponto em que o impulso necessário é igual ao impulso disponível. Isso compara o impulso necessário para manter a velocidade e altitude do ar com o impulso disponível nos motores. Como os motores que respiram ar tendem a produzir menos impulso à medida que a altitude aumenta, isso significa que o impulso disponível diminui com a altitude. Em algum momento, a aeronave estará com o menor arrasto possível em vôo nivelado e usando todo o empuxo disponível.

Como Casey aponta, haverá muitos outros fatores, como a capacidade da aeronave de permanecer pressurizada, a capacidade do motor de manter um certo nível de empuxo e as condições atmosféricas.

No entanto, se você estiver procurando a altitude máxima absoluta que ela pode alcançar, mas não necessariamente manter, ela se torna muito mais complicada. Isso seria determinado pela quantidade máxima de energia que uma aeronave pode obter, tanto em altitude quanto em velocidade do ar. Uma aeronave pode mergulhar ou permanecer em uma altitude mais baixa para ganhar velocidade e, em seguida, subir para trocar essa velocidade por altitude, atingindo uma altitude mais alta do que a que pode manter (consulte este incidente por exemplo, uma aeronave que voou para uma altitude mais alta do que realmente poderia manter).

A altitude máxima absoluta que um avião pode atingir é limitada apenas pelo elevador que ele pode produzir. Isso será uma função da asa (e um de nossos engenheiros residentes pode explicar isso) e do fluxo de ar sobre a asa. O fluxo de ar, por sua vez, é função da sua altitude (densidade do ar) e velocidade do ar. A velocidade do ar, por sua vez, é uma função do seu impulso, arrasto, etc. Em resumo, o levantamento que você pode produzir depende de muitas coisas indiretamente e isso definirá o limite físico da altitude máxima.

Observe que a altitude máxima definida pelo seu elevador é uma altitude máxima contínua. Se você tiver o momento disponível, poderá usá-lo para subir acima desta altitude em breves excursões, mas não conseguirá manter altitudes acima desse limite.

Observe que essa altitude não é o teto de serviço dos aviões, que será mais baixo devido aos limites da taxa de subida (por exemplo, 100 fpm) ou problemas de certificação (por exemplo, pés 25,000 para requisitos de pressurização / oxigênio).

Uma aeronave sem motor não está sujeita a dois dos cinco fatores limitantes da abrangente documentação de Peter Kämpf. responder. O registro atual de altitude de vôo nivelado subsônico é mantido pelo Planador Perlan II que alcançou os pés 76,124 em setembro do 2018, superando o recorde de pés 2 do U73,737. Se o Perlan II atingir o limite de altitude de projeto de pés 90,000, ele excederá o nível de vôo (supersônico) do SR-71 registro de altitude pés 85,068.

O Perlan II, apesar de altamente especializado e com fuselagem pressurizada, não apresenta uma aparência muito diferente de um planador de classe aberta. A diferença mais significativa está no aerofólio, que é otimizado para o vôo aos pés 60,000. Isso também resulta em uma faixa significativamente maior de velocidade no ar em altitudes extremas (o 'canto do caixão' referido em outras respostas) do que o U-2, que na altitude operacional tinha apenas uma faixa de velocidade no ar do tipo 5.