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

Quanto mais alto você ficar, menor será a densidade do ar. Essa densidade mais baixa resulta em uma elevação mais baixa sendo gerada para a mesma velocidade e ângulo de ataque. Efetivamente, quanto mais alto você voar, maior será a velocidade mínima. Então, ao escalar, 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 chegar, menor será o desempenho dos seus motores. Você pode notar que o arrasto diminui com a densidade do ar também, mas como você está voando mais e mais rápido durante a subida, o arrasto não diminui de forma alguma. Se a sua altitude máxima é limitada por empuxo, então, em algum momento durante a subida, o empuxo e o arrasto estão se aproximando da mesma forma e é aí que a subida para. Quando você não puder mais escalar com mais de 100 pés por minuto (para aeronaves a hélice) ou 500 pés por minuto (para aeronaves a jato / turboventiladores), você alcançou seu teto de serviço . Se a altitude máxima da aeronave for determinada por empuxo, o teto absoluto demorará muito para ser alcançado.

Em altas altitudes, os motores de ar respirável terão dificuldades eventualmente. Devido à menor densidade do ar, o fluxo de massa através do motor é reduzido até um ponto em que provoca 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 sobre a parte superior da asa é acelerado. Em um ponto, 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 de arrasto e reduz o levantamento. Assim, desde que você tenha potência de motor suficiente à sua disposição, você pode subir a uma altitude onde sua velocidade mínima também é 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 fornecer será insuficiente para manter a altitude. Descida ou a aeronave vai parar.
• se você voar mais alto e você será muito rápido e muito lento ao mesmo tempo.
• se você girar, aumentará o carregamento da asa, aumentando assim a velocidade mínima necessária para criar o levantamento necessário. Além disso, a asa externa excederá facilmente a velocidade máxima e, ao mesmo tempo, a asa interna estará abaixo da velocidade de estol. Isso pode rapidamente se transformar em uma rodada.

Desde que seja preciso um conhecimento preciso do desempenho do motor, as características de arrasto e de asa da aeronave são necessárias, não há uma fórmula simples para derivar a altitude máxima para uma aeronave.

Além das limitações relacionadas ao desempenho da aeronave acima, há uma altitude máxima de operação certificada para a cabine pressurizada. Isso leva em consideração as propriedades estruturais do casco (diferença de pressão entre o interior e o exterior) 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 questão. Estes são:

1. Potência do motor . Os motores de respiração aérea produzem menos energia quanto mais alto eles operam devido à diminuição da densidade com a altitude. Em motores alternativos, isso pode ser superado com a turboalimentação, e os motores de pistão de alta altitude dedicados usam turbocompressores de estágio triplo com intercoolers. Em projetos dedicados de alta altitude, o motor é a menor parte do pacote de propulsão, a maioria é de resfriamento e dutos. A hélice deve ser adaptada à baixa densidade em alta altitude, aumentando em 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 relação de pressão entre a admissão e o compressor. Se esta pressão cair abaixo do mínimo para combustão sustentada, o motor irá se apagar. Como os motores a jato são, em princípio, um grande turbocompressor, onde o motor do pistão foi substituído por uma câmara de combustão, essa câmara de combustão se torna o elo fraco.

3. Carregamento de asa : Quanto mais baixa a carga da asa, menor a densidade do ar pode se tornar antes que uma asa falhe em produzir sustentação suficiente. Se os motores produzem energia suficiente para vôos sustentados (propulsão elétrica com painéis solares, por exemplo), o limite passa a ser a integridade estrutural da estrutura leve. Consulte esta resposta para um exemplo aplicado.

4. Número máximo de Mach do vôo : Para aeronaves supersônicas, o limite é dado por uma combinação de carga de asa e velocidade máxima. Quanto mais rápido a aeronave puder voar, menor a densidade do ar. Na maioria dos casos, o limite de velocidade é dado pela eficiência de consumo, porque e os limites térmicos devido ao aquecimento da fuselagem. Note que uma aeronave rápida com reservas de levantamento pode executar um pull-up em altitude, convertendo energia cinética em energia potencial (também conhecida como altitude), então a altitude máxima instancional pode ser vários 1000 m acima do limite de altitude estacionária.

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

Aqui encontramos novamente o carregamento de asa $ \ frac {m} {S} $ como um fator, mas também o máximo do produto do quadrado do número de Mach do vôo $ Ma ^ 2 $ e o coeficiente de levantamento $ 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 a serem alcançados. Use este número para projetos modernos e você obterá uma resposta bastante precisa se o impulso do motor for suficiente. Para designs mais antigos, valores entre 0,3 e 0,35 são mais adequados. Projetos muito antigos com aerodinâmica ruim como o Westland Welkin só alcançariam $ Mach $ 2 \ cdot c_L $ abaixo de 0,2.

Na forma mais básica, a altitude máxima da aeronave é o ponto em que impulso requerido é igual a impulso disponível . Isso compara o empuxo necessário para manter a velocidade e a altitude em relação ao empuxo disponível nos motores. Como os motores de respiração aérea tendem a produzir menos impulso à medida que a altitude aumenta, isso significa que o empuxo disponível diminui com a altitude. Em algum momento, a aeronave estará com o menor arrasto possível no 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 está procurando a altitude máxima absoluta que consegue alcançar, mas não necessariamente manter, ela se torna muito mais complicada. Isso seria determinado pela quantidade máxima de energia que uma aeronave pode atingir, tanto em altitude quanto em velocidade aerodinâmica. Uma aeronave pode ser capaz de mergulhar ou permanecer em uma altitude menor para ganhar velocidade e, em seguida, subir para trocar essa velocidade por altitude, alcançando uma altitude mais alta do que pode manter (veja este incidente para um exemplo de uma aeronave que voou para uma altitude maior do que realmente poderia manter).

A altitude máxima absoluta que um avião pode atingir é limitada apenas pelo levantamento que pode produzir. Esta será uma função da asa (e um dos nossos engenheiros residentes pode explicar isso) e do fluxo de ar sobre a asa. O fluxo de ar, por sua vez, é uma função da sua altitude (densidade do ar) e velocidade do ar. A velocidade aerodinâmica, por sua vez, é uma função do seu empuxo, resistência, etc. Em suma, 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 tem o momentum disponível, você poderia usar isso para subir acima dessa altitude para breves excursões, mas você não seria capaz de manter altitudes acima desse limite.

Observe que essa altitude não é o teto de serviço dos aviões, que será menor devido aos limites de taxa de subida (por exemplo, 100 fpm) ou problemas de certificação (por exemplo, 25.000 pés para pressurização / requisitos de oxigênio).