É uma questão de fonte de energia (e aspiração do motor no caso de motores de respiração aérea), carga de asa e eficiência aerodinâmica. Com a tecnologia atual, o limite é de cerca de 100.000 pés (30 km), como comprovado por Pathfinder e especialmente Helios . Eu duvido que muito mais seja possível com aeronaves realmente utilizáveis.
Aerodinâmica primeiro: O fator de altitude de $ c_l \ cdot Ma ^ 2 $ informa a quantidade de elevação que pode ser produzida em um determinado número de Mach do vôo, e a carga da asa fornece a densidade mínima para um vôo sustentado. 0,4 é um bom valor para $ c_l \ cdot Ma ^ 2 $, e 30 kg / m $ ^ 2 $ é um carregamento de asa viável para voo a 30 km. Veja esta resposta para mais detalhes.
Se a fonte de energia precisa de ar ambiente (motor a pistão), o avião precisa de compressores de três estágios ou turbocompressores, que foram testados para a 20 km de altitude e deve ser bom para talvez 24 km. Eles são dispositivos mimados; O Boeing Condor raramente voava com sua potência máxima porque os estágios dos turbocompressores oscilavam em uma sequência alternada de surtos. Um estágio corria à frente, fazendo com que o outro aumentasse, o que fez o primeiro aumento e liberou o outro para correr adiante, e assim por diante.
Acima de aproximadamente 24 km, a propulsão elétrica solar parece a melhor opção atualmente. Em todos os casos, você pode voar apenas subsônico, de modo que o carregamento mínimo prático da asa limitará a altitude máxima. Aeronaves como a Helios já são muito delicadas, por isso só podem ser lançadas com tempo calmo e correm o risco de serem levadas pelos ventos de grande altitude. A carga útil é mínima e, dependendo do que a aeronave deve fazer além de voar alto, você terá um limite para a altitude máxima entre 24 e 30 km.
Ir a órbita em um dispositivo acionado por hélice é completamente ilusório. Não há matéria suficiente para empurrar em altitudes mais altas, e o diâmetro teórico da hélice seria medido em quilômetros (ou milhas, se você preferir essa unidade). A massa estrutural seria proibitiva. Além disso, o empuxo da hélice é inversamente proporcional à velocidade de vôo, e não há como acelerar com uma hélice para escapar da velocidade. O impulso seria apenas um erro de arredondamento de zero a 7,9 km / s.
Esta velocidade é necessária para escapar da gravidade da Terra, voando rápido o suficiente em torno dela para que a força centrípeta seja igual ao peso da aeronave e seja chamada de velocidade orbital. Quanto mais alta a órbita, mais energia é necessária para alcançá-la. Para ganhar energia suficiente, um avião a hélice aceleraria na atmosfera a uma velocidade um pouco maior que a velocidade orbital desejada e então converteria essa energia cinética em energia potencial para elevar sua trajetória acima de pelo menos 100 km, a altitude reconhecida internacionalmente onde o voo espacial começa. Note que esta fase do voo requer voo invertido se a aceleração demorar algum tempo. O número máximo de Mach em vôo precisaria ser de 12 ou mesmo 15, então essa manobra é possível.
Em suma: indo para orbitar com uma hélice? Esqueça!