Entonces, ¿por qué los aviones no vuelan aún más alto, para una eficiencia aún mayor? [duplicar]

Algunos lo hacen (o lo han hecho en el pasado), pero las altitudes muy elevadas presentan sus propios problemas. Históricamente, el Concorde navegaba entre FL550 y FL600 y, de hecho, se le permitía subir y bajar a su discreción allí arriba, ya que estaban bien libres de tráfico . Sin embargo, el aumento en el diferencial de presión en la estructura del avión, así como el vuelo supersónico, significaron que la estructura del avión experimentó un desgaste mucho mayor por ciclo que sus amigos de menor altitud.

En algún momento, te acercas a la esquina del ataúd, un punto en el que, incluso si tienes suficiente empuje, tu velocidad de pérdida supera tu número de mach crítico (efectivamente, tu ala no puede funcionar bien). El avión espía U2 es capaz de volar justo en este borde .

Uno de los grandes factores limitantes prácticos es también el requisito de descenso rápido para la certificación del fuselaje. La FAA exige que, en caso de despresurización, la aeronave pueda descender a 10 000 pies (altitud sin necesidad de oxígeno) en 10 minutos, como se describe aquí . Cuanto más alto vaya, más rápido debe ser el descenso de emergencia, eventualmente esto se convierte en un problema de ingeniería y el fuselaje se convierte en el factor limitante ya que no desea exceder Vne en la inmersión.

Por favor, cumpla con la altitud del techo .

Por encima de esta altitud, la aeronave no puede volar lo suficientemente rápido para generar suficiente sustentación para mantenerse en el aire.

Esto se ve afectado por:

• peso (más peso necesita más elevación)
• potencia del motor (más sustentación significa más arrastre, que se supera con la potencia del motor)
• Relación L/D (si puede tener menos resistencia para la misma sustentación, puede volar un poco más alto, siendo todo lo demás igual)

Entonces, en general, los motores están mejorando, pero usted gana más volando un poco más bajo, a su velocidad de crucero ideal y, por lo tanto, consumiendo menos.

Solo quiero saltar con una respuesta (en lugar de un comentario), ya que parece que más de una respuesta podría sugerir que el techo máximo en el avión actual está dictado por la potencia (disponible) del motor.

Volar a altitudes más altas: sí, pierdes densidad, sí, pierdes un poco de sustentación, por eso, y sí, necesitarás volar más rápido para generar esa sustentación. Sin embargo, a la aeronave no podría importarle menos: esa mayor velocidad se combina con una disminución de la densidad. Lo que significa que el ala verá la misma presión dinámica y sufrirá las mismas fuerzas aerodinámicas que en tierra . Es por eso que hay una diferencia entre IAS y TAS en primer lugar. La misma relación L/D significa que generas la misma sustentación y la misma resistencia (bueno, casi) que al nivel del mar.

Y si bien podría marcar la diferencia para un motor de pistón/hélice, un motor a reacción no proporciona una potencia constante, sino un empuje constante. Lo que significa que los motores imparten la misma fuerza en el avión, independientemente de qué tan rápido nos movamos .

Entonces, ¿dónde está la trampa para el techo del avión? Compresibilidad . Una vez que comienza a tener en cuenta la compresibilidad (que a grandes altitudes se vuelve importante), IAS se convierte en EAS y el ala puede comenzar a entrar en pérdida incluso a 300 nudos de velocidad indicada. Sube lo suficientemente alto y muy pronto tu ala se detendrá incluso a velocidades supersónicas. La velocidad máxima y la velocidad mínima se encontrarán, y estarás en el temido rincón del ataúd.

Fíjate que el problema es casi enteramente aerodinámico , y se puede solucionar con mejores alas, nada que ver con los motores o la potencia.

(... entonces, por supuesto, en algún momento sus motores se quedarán sin oxígeno, lo que hace que mi punto sea superfluo, pero esa no es la razón por la cual los aviones de la generación actual no pueden volar más alto en este momento)

Tiene razón al entender que las aerolíneas vuelan principalmente más alto para tener un vuelo más eficiente, ya que hay una resistencia significativamente menor debido al adelgazamiento de la atmósfera.

Explicación:

Sin embargo, hay un par de problemas que aumentan a medida que aumenta la altitud. Sus alas y motores son más eficientes para proporcionar sustentación y empuje, respectivamente, a altitudes más bajas. Las alas crean sustentación a través de la diferencia en la presión del aire que pasa por encima y por debajo de las alas. Cuando aumenta su altitud, sus alas se vuelven menos eficientes porque, si bien hay menos resistencia, ahora necesita aumentar la velocidad del aire que pasa por sus alas para retener las mismas presiones, que luego producen la misma sustentación.

El vuelo supersónico (vuelo sobre Mach 1) es significativamente diferente al vuelo subsónico. El aire se separará del ala cuando rompa la barrera del sonido y, por lo tanto, hará que pierda sustentación. Como se indicó en el párrafo anterior, a medida que aumenta su altitud, necesita aumentar su velocidad. Luego, a medida que te acercas a Mach 1, la resistencia aumenta exponencialmente. El avión de pasajeros promedio navega a 0,75 mach, por lo que puede ver que ya estamos lo suficientemente cerca de esta barrera para su comodidad.

Los motores en sí mismos también dependen del aire que pasa a través de ellos para proporcionar empuje y se volverán menos eficientes en altitudes más altas.

En breve:

En resumen, realmente se convierte en un acto de equilibrio, en el que debe determinar si la altitud y la velocidad adicionales valen el aumento drástico de combustible necesario para impulsar los motores y alcanzar la velocidad adecuada para su altitud. Con la tecnología actual, no se considera rentable.

A modo de comparación, el jet supersónico "Concorde" alcanzó un máximo de aproximadamente 60,000 pies, mientras que el jet subsónico "747" alcanzó un máximo de aproximadamente 45,000 pies.

Si los aviones volaran significativamente más alto de lo que lo hacen hoy, estarían volando en la estratosfera. La contaminación en la estratosfera tiene un impacto global mucho mayor que en la troposfera, ya que los contaminantes permanecen allí mucho más tiempo (tiempo de residencia más prolongado). Si los aviones no tuvieran otras razones para evitar la estratosfera, el impacto ambiental sería una muy buena razón para mantenerlos fuera de allí.

Aunque hay algo de intercambio de aire entre la troposfera y la estratosfera, este es mucho menor que el intercambio de aire dentro de la troposfera, que ocurre todo el tiempo debido al clima. La Agencia Europea de Medio Ambiente explica cómo cuando los contaminantes ingresan a la estratosfera, pueden permanecer allí durante años o incluso décadas. Los contaminantes en la troposfera inferior pueden permanecer solo durante días o semanas.

Hace algunas décadas, existía el temor de que los vuelos estratosféricos generalizados causaran una contaminación estratosférica significativa, incluido el agotamiento del ozono. Dado que la aviación generalizada en la estratosfera nunca se materializó, no hay muchas fuentes más nuevas sobre el tema:

• Los planes supersónicos amenazan la capa de ozono , junio de 1990
• ¿Deberían prohibirse los vuelos en la estratosfera? , Nuevo científico, abril de 1994
• Impacto ambiental del vuelo estratosférico , Consejo Nacional de Investigación. 1975

Sin embargo, un tipo de vuelo siempre pasa por la estratosfera: los lanzamientos espaciales. En la industria de los vuelos espaciales, la contaminación estratosférica se ha abordado de manera más específica. Por ejemplo:

• Es hora de despejar el aire sobre la contaminación del lanzamiento , Space News, julio de 2018:

La mayor parte de la contaminación generada por el hombre se concentra en la superficie de la Tierra o cerca de ella, ya sea en la tierra, el mar o en la troposfera, la capa más baja de la atmósfera. Sin embargo, los cohetes emiten una variedad de gases y partículas directamente a todos los niveles de la estratosfera, la única actividad industrial que lo hace. La estratosfera se extiende aproximadamente de 10 a 50 kilómetros sobre la superficie de la Tierra y contiene la capa de ozono de la Tierra. La flota de aviación civil mundial generalmente navega en la troposfera, y solo ocasionalmente contamina directamente la estratosfera.

Para obtener detalles sobre esos procesos, puede preguntar en Earth Science Stack Exchange .

la altitud máxima para un crucero económico está establecida por la tecnología del motor. todos los motores que respiran aire pierden potencia a medida que aumenta la altitud, lo que limita la capacidad de los motores para mantener el vuelo. para cualquier clase dada de motor (pistón, pistón turboalimentado, turborreactor, turboventilador, turbopropulsor, etc.) existe, por lo tanto, una altitud de crucero máxima correspondiente.