¿Por qué muchos aviones a reacción están diseñados para navegar alrededor de FL350-370?

En una palabra, la tropopausa .

La eficiencia del motor de turbina de gas mejora con aire más frío y más denso. A medida que un avión sube a través de la troposfera, la densidad y la temperatura descienden, y la pérdida de densidad es más que compensada por la temperatura más baja. Sin embargo, por encima de la tropopausa, la densidad sigue cayendo mientras la temperatura se mantiene (aproximadamente) constante.

En el modelo de atmósfera estándar de EE. UU. , esto ocurre a 36 089 pies. Esto representa una altitud óptima local (posiblemente global) para la eficiencia (y si hay un mejor óptimo a una altitud más alta, es inaccesible por otras razones).

Hay múltiples factores que afectan a un avión en función de su altitud de crucero.

La altitud de crucero afecta directamente la presurización y la aerodinámica de la aeronave. Para mantener la altitud de la cabina entre 6000 y 8000 pies, el fuselaje tendría que soportar un diferencial de presión mayor. Esto requeriría más material y haría que el avión fuera más pesado. Los materiales más nuevos utilizados en el 787 y el A350 manejan mejor estas cargas, lo que permite un mayor diferencial de presión y ventanas más grandes.

La altitud también afecta a la aerodinámica. Las aeronaves normalmente navegan a un cierto número de Mach a grandes altitudes. La velocidad aerodinámica indicada para un cierto número de Mach disminuye con la altitud más alta. Esto puede resultar en una menor resistencia aerodinámica, pero plantea desafíos a medida que la velocidad aerodinámica disminuye. Ver: ¿Qué determina la altura máxima que puede alcanzar un avión?

Además, consulte la respuesta de Peter Kämpf para obtener más detalles sobre los aspectos aerodinámicos.

A mayores altitudes, hay menos aire disponible para los motores, lo que reduce la potencia disponible. Junto con esto, hay beneficios de eficiencia. Ver: ¿Por qué los motores a reacción obtienen una mejor eficiencia de combustible a grandes altitudes?

Como explica la respuesta de Ghillie Dhu , esos beneficios dejan de aumentar alrededor de FL360.

La falta de oxígeno respirable y el aumento de las fuerzas de presión en el fuselaje causadas por la menor presión del aire también generan mayores riesgos, lo que da lugar a regulaciones más estrictas para las aeronaves que pretenden volar más alto. Estas regulaciones agregarán un costo adicional para volar más alto, lo que afectará las decisiones sobre los techos de servicio.

§ 25.365

(d) La estructura del avión debe estar diseñada para poder soportar las cargas diferenciales de presión correspondientes al ajuste máximo de la válvula de alivio multiplicado por un factor de 1,33 para aviones aprobados para operar a 45 000 pies o por un factor de 1,67 para aviones a 45 000 pies. estar aprobado para operación por encima de 45,000 pies, omitiendo otras cargas.

Entonces, para aviones que operan a más de 45,000 pies, la estructura debe poder soportar un factor de carga de presión aún mayor.

§ 25.1441

(d) Se debe aprobar la tasa de flujo de oxígeno y el equipo de oxígeno para aviones para los cuales se solicita certificación para operación por encima de 40,000 pies.

Los aviones que operen a más de 40 000 pies deben obtener una aprobación especial para el sistema de oxígeno.

§ 25.841

(2) El avión debe estar diseñado de modo que los ocupantes no estén expuestos a una altitud de presión en la cabina que exceda lo siguiente después de la descompresión de cualquier condición de falla que no se haya demostrado que sea extremadamente improbable:
(i) Veinticinco mil (25,000) pies por más de 2 minutos; o
(ii) Cuarenta mil (40,000) pies por cualquier duración.

No se permite que la altitud de la cabina exceda los 40,000 pies bajo ninguna condición que no sea extremadamente improbable. Cuanto más alto vuele el avión, más difícil será certificarlo.

Los jets de negocios tienden a tener altitudes de crucero más altas, porque la estructura más pequeña es más fácil de reforzar para presiones más altas y, por lo general, tiene menos ciclos de carga. La eficiencia tampoco es tan importante como la velocidad y la comodidad, por lo que se puede ahorrar algo de peso para un fuselaje más fuerte. La mayor altitud también ofrece más flexibilidad en la ruta, ya que la mayoría del tráfico, incluidos los aviones comerciales, navegan a altitudes más bajas. Los jets de negocios también pueden estar certificados bajo regulaciones menos estrictas.

Sé que ya hay una respuesta aceptada, pero faltan algunos datos clave.

Principalmente, la altitud de crucero óptima es donde los requisitos de empuje y sustentación tanto para el despegue como para el crucero se equilibran bien. Un beneficio adicional es el aire más frío que aumenta la eficiencia de los motores térmicos .

Con el aumento de la altitud de vuelo, el avión necesita:

1. Motores más grandes para crear el empuje necesario en aire más delgado
2. Alas más grandes para crear la sustentación necesaria

Con las alas, también crecerá el tamaño de los planos de cola; este efecto por sí solo probablemente pesará más que el refuerzo de la estructura del fuselaje para el aumento de la presión en la cabina. Volar más alto hará que casi todas las partes sean más grandes y pesadas.

Tenga en cuenta que Mach 0,85 es un límite estricto para un vuelo eficiente; los aviones de pasajeros no pueden compensar la menor densidad volando más rápido. La única forma de permitir niveles de vuelo más altos es colocar alas y colas más grandes.

Otra consideración es la fórmula de Breguet: los aviones a reacción tienen su coeficiente de elevación de crucero óptimo en un valor de$c_L = \sqrt{0.6\cdot c_{D0}\cdot\pi\cdot AR\cdot\epsilon}$, si asumimos que el empuje de los motores de alta relación de derivación varía con la velocidad proporcional a$\text{v}^{-0.5}$, que es una suposición razonable. Esto significa que el avión comercial no puede volar más alto volando con un coeficiente de sustentación más alto: esto disminuiría la eficiencia.

(Nomenclatura:$c_{D0}$= arrastre de elevación cero,$AR$= relación de aspecto del ala,$\epsilon$= eficiencia de alcance, v = velocidad de vuelo)

Con el tamaño del ala y los motores necesarios para volar a Mach 0,82 en la tropopausa (Mach 0,85 en realidad no es tan eficiente; siga el enlace para averiguar por qué esta es la velocidad de crucero citada para aviones comerciales de largo alcance), la distancia de despegue es bastante razonable y coincide aproximadamente con los aeropuertos definidos por la OTAN durante la guerra fría. Volar más alto en la estratosfera aumentaría la masa de la aeronave debido a motores y alas más grandes, pero no incurriría en las ganancias de eficiencia de aumentar la altitud de crucero en la troposfera, donde la temperatura desciende con la altitud.

Por el contrario, elegir una altitud de crucero de diseño más baja permitiría hacer tanto las alas como los motores más pequeños, pero esto se traduciría en:

1. Mayores velocidades de despegue y aterrizaje, y velocidades críticas durante el despegue debido al ala más pequeña,
2. Menor aceleración de despegue debido a motores más pequeños,
3. Para gemelos: no hay suficiente empuje durante el despegue cuando falla un motor,
4. Bajar las velocidades de ascenso, por lo que tomaría más tiempo alcanzar la altitud de crucero, y
5. No aprovechar plenamente el aire frío de la tropopausa.

Diseñar para una altitud de crucero más baja se traduciría en pistas mucho más largas y un vuelo menos eficiente en general.

Diseñar para cruceros en la tropopausa es simplemente el punto óptimo para los diseñadores de aviones comerciales, donde todas las condiciones se combinan bien y producen un resultado equilibrado.

Como se mencionó en el comentario anterior, no estoy seguro de dónde obtiene la referencia FL400, pero aquí hay algunas razones comunes para volar más alto (no necesariamente FL400):

• Ahorro de combustible (vuelo más eficiente a altitudes más altas; consulte el enlace
• Mayor velocidad aerodinámica real
• Supere cualquier clima/turbulencia/hielo
• Mejor recepción de radioayudas/comunicaciones
• Mejor visibilidad
• Más altitud para una mejor distancia de planeo (sí, no es un gran problema para los aviones, pero piensa en SE)
• Menos tráfico

Algunas desventajas podrían incluir:

• Más susceptible a las paradas del compresor
• Más altitud que perder si hay pérdida de presión en la cabina/descompresión rápida
• Peor tiempo para incluir formación de hielo
• Debe estar equipado con RVSM (si vuela hasta FL410).