Por que o teto máximo de serviço dos produtos da Boeing e da Airbus permaneceu praticamente o mesmo durante 30 anos? [duplicado]

Principalmente, a altitude de cruzeiro ideal é onde os requisitos de empuxo e levantamento para o equilíbrio de decolagem e cruzeiro são bons. Um benefício adicional é o ar mais frio que aumenta o eficiência dos motores térmicos . Como essa queda de temperatura útil cessa quando a aeronave sobe acima da tropopausa , os benefícios de voar mais aumentam mais abaixo da tropopausa.

Com o aumento da altitude de voo, o avião precisa:

1. Mecanismos maiores para criar o impulso necessário no ar mais fino
2. Asas maiores para criar o elevador necessário

Com as asas, o tamanho dos tailplanes também crescerá; Somente este efeito provavelmente pesará mais do que o reforço da estrutura da fuselagem para o aumento da pressão da cabine. Voar mais alto tornará quase todas as partes maiores e mais pesadas.

Observe que Mach 0.85 é um limite rígido para um voo eficiente; aviões não podem compensar a baixa densidade voando mais rápido. A única maneira de permitir níveis mais altos de vôo é anexar asas e caudas maiores.

Outra consideração é a fórmula de Breguet: aeronaves a jato têm suas coeficiente de elevação de cruzeiro ideal com um valor de $ c_L = \ sqrt {0.6 \ cdot c_ {D0} \ cdot \ pi \ cdot AR \ cdot \ epsilon} $, se assumirmos que o impulso dos mecanismos de alta taxa de desvio varie com a velocidade proporcional a $ v ^ {- 0,5} $, o que é uma suposição razoável. Isso significa que o avião não pode voar mais alto voando com um coeficiente de sustentação mais alto: isso diminuiria a eficiência.

(Nomenclatura: $ c_ {D0} $ = zero-lift, $ AR $ = wing aspect ratio, $ \ epsilon $ = span eficiência)

Com o tamanho da asa e os motores necessários para voar a Mach 0.82 na tropopausa (Mach 0.85 não é realmente tão eficiente; siga o link para descobrir por que esta é a velocidade de cruzeiro citada para aviões de longo alcance ), a distância de descolagem é bastante razoável e corresponde aproximadamente aos aeroportos que foram definidos pela OTAN durante a guerra fria. Voar mais alto na estratosfera aumentaria a massa da aeronave devido a motores e asas maiores, mas não aumentaria os ganhos de eficiência de aumentar a altitude de cruzeiro na troposfera, onde a temperatura cai com a altitude.

Por outro lado, escolher uma altitude de cruzeiro de projeto menor permitiria diminuir as asas e os motores, mas isso se traduziria em:

1. Velocidades de descolagem e aterragem mais elevadas e velocidades críticas durante a descolagem devido à asa mais pequena,
2. Aceleração de decolagem inferior devido a motores menores,
3. Para gêmeos: Não há empuxo suficiente durante a decolagem quando um dos motores falha,
4. Menores velocidades de subida, por isso demoraria mais tempo a atingir a altitude de cruzeiro e
5. Não aproveitando totalmente o ar frio na tropopausa.

Projetar para uma altitude de cruzeiro menor se traduziria em pistas muito mais longas e menos eficientes no vôo em geral.

Projetar para o cruzeiro na tropopausa é simplesmente o ponto ideal para os designers de aviões, onde todas as condições combinam bem e produzem um resultado equilibrado.

As aeronaves são otimizadas para voar em uma determinada altitude, o que não mudou ao longo dos anos. Existem várias razões para isso:

• Quanto mais alto você for, mais ar mais denso se torna; Portanto, para voar em altitudes mais altas (por exemplo, para o mesmo levantamento), a aeronave precisa voar em um ângulo de ataque maior (aumento de arrasto; a asa diminuirá em alguma altitude) ou maior velocidade (exigindo mais empuxo devido ao aumento de arrasto).

• À medida que a altitude aumenta, o empuxo produzido pelo motor cai e, em algum momento, o empuxo produzido não é suficiente apenas para o vôo. Essa é a limitação mais importante para o teto de serviço.

• Em aviões comerciais, a altitude de pressão da cabine é mantida constante (geralmente ~ 8000 pés ISA) e a pressão diferencial causará tensões na fuselagem; Como a densidade do ar diminui com a altitude, esse estresse aumenta e o fortalecimento da estrutura aumenta o peso, resultando em um desempenho ruim.

• No caso de aeronaves de transporte, o teto de serviço pode às vezes ser limitado pela altitude máxima a partir da qual eles podem descer para 14.000 pés em menos que um tempo especificado (4 min). Aviões comerciais geralmente são limitados por esta altitude de certificação.

• Mesmo que o empuxo do motor seja aumentado e a aeronave possa voar em altitudes mais altas (com maior velocidade), em algum momento outra limitação se manifestará - O ar que está sendo acelerado sobre a asa atingirá velocidades supersônicas e formará choque ondas, levando a uma situação paradoxal onde você não pode aumentar a velocidade (o que aumentará o arrasto devido a ondas de choque) nem diminuirá a velocidade (o que paralisará a aeronave).

No entanto, algumas aeronaves voaram em altitudes mais altas, onde seu design era ideal. Por exemplo, o Concorde voou a 55.000 pés devido ao menor arrasto e conseqüente aquecimento da estrutura a partir de velocidades supersônicas.

Como uma nota lateral interessante (e não relacionada), qualquer aeronave, por mais poderosa que seja, não pode voar acima de certa altitude, pois a atmosfera se torna muito fina e precisa voar mais rápido que a velocidade orbital para gerar a sustentação necessária. Isto é tomado como o ponto onde o espaço exterior começa e é chamado de linha Kármán