¿Qué impide que un avión pequeño como un Cessna o un Piper vuele tan alto como un jet?

Obviamente teniendo en cuenta el oxígeno. ¿Qué impide que un avión pequeño pueda volar a una altitud mucho mayor? Sé que algunos jets de negocios pueden volar hasta 40,000 pies. ¿Tiene que ver con el perfil aerodinámico de las alas? Por ejemplo, ¿puede volar un Cessna 172 a 20 000 pies o más?

Hola, @Boeing787: me imagino que el motor es importante: los accesorios no tienen compresores grandes para que el aire sea adecuado ... Pero la gente se ha acercado: consulte Aviation.stackexchange.com/a/32719/56827 o Aviation.stackexchange.com/ a/61899/56827
Casi cualquier Cessna puede ascender fácilmente a 20.000 pies si el motor está equipado con un turbocargador. El Cessna T210 tiene un techo de servicio de 27.000'. en.wikipedia.org/wiki/Cessna_210_Centurion
40000 pies es perfectamente normal incluso para aviones de pasajeros de todos los tamaños. Los aviones de negocios pueden llegar hasta aproximadamente 50,000 pies.
Por supuesto, el hecho de que la cabina no esté presurizada y que a la gente le cueste estar consciente a esas altitudes sin presurización es un factor importante. Agregar presurización tiene bastantes consecuencias en la forma, el peso y el costo de la aeronave.
Su respuesta implica que los jets son grandes y otros aviones son pequeños. Este no es necesariamente el caso. Piensa en Hondajet en B-29 :)

Respuestas (3)

Tomaremos el caso de un motor de pistón no sobrealimentado, como el que se usa en la mayoría de los Cessnas y Pipers pequeños.

Todos los motores necesitan el oxígeno del aire para quemar su combustible. A medida que un avión asciende, el aire se diluye y hay menos oxígeno disponible, por lo que el motor puede quemar menos combustible y produce menos potencia. Luego llega una altitud en la que no hay suficiente potencia disponible para empujar el avión por el aire más rápido para hacer más sustentación en ese aire diluido y seguir subiendo. En términos generales, ese es el techo del avión .

Ahora bien, si ponemos un motor más potente en el mismo avión, no solo puede ascender más rápido, sino que hay más potencia disponible a mayor altitud, aunque su potencia de salida sigue cayendo a medida que asciende. Por lo tanto, puede seguir tirando del avión a través del aire progresivamente más rápido a medida que asciende y, por lo tanto, mantener el ala produciendo suficiente sustentación para agregar altitud. De esta manera, un motor más potente elevará el avión más alto antes de quedarse sin potencia y, por lo tanto, exhibirá un techo máximo más alto.

Los motores a reacción son enormemente potentes y, debido al diseño de su compresor, pueden hacer que el aire ambiente sea más denso a grandes altitudes y, por lo tanto, pueden mantener su tasa de consumo de combustible y seguir produciendo alta potencia hasta altitudes muy altas, muy por encima de las altitudes en las que un pistón funciona. -avión propulsado sin sobrealimentador se queda sin capacidad de ascenso.

Puede agregar un compresor de aire (llamado turbocompresor o supercargador) a la admisión de un motor de pistón para engañarlo y hacerle creer que está respirando aire a nivel del mar cuando en realidad está a 10,000 pies, y luego puede seguir subiendo, como lo señaló Mike Sowsun - siempre que el piloto tenga un tanque de oxígeno a mano para que pueda mantenerse con vida allí arriba.

Esta es una imagen simplificada, pero no se preocupe: en un par de horas, Peter Kaempf estará fuera de la cama y proporcionará una respuesta más completa.

Los pistones turbo modernos que he visto tienen una altitud crítica de ~ 18k y un techo de ~ 28k, y ~ 10k es el techo de la mayoría de los pistones que no son turbo, por lo que tiene sentido. ¿Existe un límite físico para la altura a la que podemos alcanzar la altitud crítica, o 18k es solo un objetivo común debido a factores de mercado?
Puede ir más alto si agrega más etapas de sobrealimentación. Los cazas de la Segunda Guerra Mundial tenían techos de servicio hasta los 30 y algunos aviones especializados con alas extendidas podían llegar a los 40. El problema es que para un avión civil ahora necesita presurizarlo. Otra limitación es la refrigeración. El aire delgado se convierte en una lucha para obtener suficiente rechazo de calor de los cilindros y el calor era un gran enemigo de los motores sobrealimentados de etapas múltiples enfriados por aire por encima de 30000 pies. No es imposible, pero las diversas limitaciones lo hacen poco práctico cuando los jets hacen el trabajo mucho mejor. .
@StephenS, hay varios factores en juego. un avión diseñado para navegar por encima de los 10,000 pies necesita un sistema de oxígeno e instrumentos de navegación especiales porque allí arriba todo es espacio aéreo controlado. Las ayudas a la navegación O2 e IFR son muy caras y complican el modelo de negocio de los aviones pequeños. Un techo de servicio de 18,000 pies es más o menos típico para un avión de pistón sin turbocargar, pero la altitud de mejor desempeño de ese mismo avión estará entre 7,500 y 10,000 pies, lo que coincidentemente no requiere instrumentación de O2 o IFR.
@StephenS: El límite de 18K pies probablemente se deba a que ese es el nivel en el que todo tiene que estar bajo control positivo e IFR. 10K NO es el techo para la mayoría de los aviones de pistón pequeños, no turbo. Si lo fuera, hay muchas montañas por aquí con las que chocarías. 14K es un límite más razonable. (Volando entre aquí y el Área de la Bahía, normalmente usaría 10 500 o 11 500, dependiendo de la dirección. Y todavía hay algunos picos cercanos que superan los 10 500). por ejemplo, Copper Basin en Idaho: airnav.com/airport/0U2
@CGCampbell Es perfectamente normal y aceptable escribir ae en lugar de ä cuando no puede escribir fácilmente ä en su teclado o debido a otras restricciones. Es lo contrario lo que está mal, si algo se escribe generalmente ae entonces no usas ä.
@CGCampbell Gracias por señalar esto, pero no se puede insistir en rarezas como diéresis. No me importa particularmente la otra ortografía: se usa en mis direcciones de correo electrónico y tarjetas de crédito debido a la inflexibilidad de las mismas.
¿Por qué debería agregar otra respuesta cuando la tuya ya es lo suficientemente buena? Solo vincularía muchas de mis respuestas anteriores, como esta o esta . Sin embargo, nunca diría que el avión necesita volar más rápido para producir suficiente sustentación para escalar.
Agregue a esto que un avión con la forma de un Cessna típico estará cerca de su límite de Mach a una velocidad de pérdida no muy superior a FL400. Esta era la limitación en el U-2: la estructura del avión tenía un límite de Mach y el techo absoluto era donde no podía permanecer por encima de la pérdida en ese número de Mach.
You can add an air compressor (called a turbocharger or supercharger) to a piston engine's intake to trick it into thinking it is breathing sea level air- No hay truco aquí, al agregar un compresor antes de la admisión, en realidad está alimentando aire a mayor presión en el motor; no hay bromas ni trucos aquí, el avión cree que está respirando aire más denso porque realmente lo es .
@ZeissIkon, el Cessna tiene una carga alar mucho más baja que el U2 . Una breve comprobación de una calculadora TAS muestra su velocidad aérea Vbg sin problemas a 70000 pies .
@RobertDiGiovanni Entonces, ¿está diciendo que si el motor estuviera a la altura, podría volar un 152 o 172 a 70k y estar por debajo del límite de Mach para la estructura del avión, pero por encima de la pérdida? TAS no importa para la pérdida, eso es IAS, y Mach va a IAS más y más bajo a medida que el aire se enfría ...
@ZeissIkon se tomó un biplano a más de 55,000 pies en la década de 1930. Los mayores problemas fueron el frío y el O2 para el motor y el piloto. Pero, con suficiente empuje para hacer IAS, un fuselaje Cessna volaría. TAS rondaría los 400 nudos para un IAS de 65. Le añadiría una segunda ala al 172 y le daría una oportunidad con un motor eléctrico. 60000 pies estaría bien.
@RobertDiGiovanni De acuerdo, no del todo "en la esquina del ataúd", pero no muy lejos si se necesita TAS 400 para mantenerse por encima del puesto. Sí, estaba al tanto del trabajo inicial del traje de presión de Wiley Post (aunque no había entendido que era un biplano que volaba). Me pregunto si alguien ha verificado el límite de Mach para un 172 (o tal vez deberíamos usar un 175RG).
@PeterKämpf, ¿es el componente vertical del empuje en un ascenso con la nariz hacia arriba lo que se conoce como "colgar el avión en su puntal"?
Sí, para mostrar cómo esto es literalmente cierto, use un ascenso de 90° que es popular entre los constructores de aviones a escala. En ese caso, toda la sustentación es aportada por la hélice. Los ángulos de ascenso intermedios son solo combinaciones lineales de un ascenso de 90° y un vuelo horizontal.

¿Qué limita a un avión pequeño para poder volar a una altitud mucho mayor?

Dinero.

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La potencia y la sustentación en un avión disminuyen con el aumento de la altitud, como se muestra en la imagen de arriba, de mi copia en papel, solo el viejo libro uni del prof. Wittenberg. A 20 000 pies, aproximadamente el 60 % de la potencia de despegue todavía está disponible, a 40 000 pies, aproximadamente el 35 %.

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Solución 1: instalar un turbo

De Torenbeek, Synthesis of Subsonic Airplane Design, fig. 4-10: altura máxima de un Piper Navajo, motor de pistones con y sin turbo. La escala vertical es un poco difícil de leer, aumenta con 4,000 pies hasta un máximo de 24,000 pies. Que alcanza el motor turbo impulsado más caro, debido a la compresión del aire de admisión delgado en altitud.

Solución 2: instale mucha más potencia, incluidos múltiples turbo

Instale suficiente potencia para empezar, y un avión de hélice con motor de pistón también puede alcanzar los 40,000 pies, como lo muestran los datos del P-51 Mustang .

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Actuación

  • Velocidad máxima: 440 mph (710 km / h, 383 nudos)
  • Velocidad de crucero: 362 mph (583 km/h, 315 nudos)
  • Velocidad de pérdida: 100 mph (160 km / h, 87 nudos)
  • Alcance: 1650 mi (2660 km, 1434 nmi) con tanques externos
  • Techo de servicio: 41.900 pies (12.800 m)
  • Velocidad de ascenso: 3200 pies/min (16 m/s)
  • Levantar para arrastrar: 14.6
  • Carga alar: 39 libras/pies cuadrados (190 kg/m2)
  • Potencia/masa: 0,18 hp/lb (300 W/kg)
  • Límite de Mach recomendado 0,8

El techo de servicio de 41.900 pies fue cortesía del motor Packard Merlin . Que ya no se produce, debido a que los motores tipo turbina, como el PC-12 , son mucho más livianos y menos costosos para la misma potencia nominal. .

Conclusión: tírale dinero y volará más alto...

Sin embargo, no voy a rechazar una respuesta relativamente interesante, creo que debo señalar que esto realmente no responde la pregunta. No es lo que es el techo, es lo que crea el techo. Empieza a insinuar una respuesta con "debido a la compresión del aire de admisión delgado en altitud", pero no entra en detalles.
El Ta 152H tenía un techo de servicio de 49k pies (con impulso nitroso), si desea un ejemplo aún más extremo
@CGCampbell "La potencia y la sustentación en un avión disminuyen al aumentar la altitud" es la respuesta.
Si un avión puede despegar, la sustentación no limitará la altitud que puede alcanzar hasta que se activen los efectos Mach de la esquina del ataúd. En realidad, es solo el poder lo que limita la altitud de los aviones pequeños.

Las respuestas anteriores brindan una excelente descripción general de los factores limitantes con respecto al vuelo a gran altitud con aeronaves de aviación civil propulsadas como un pequeño Cessna.

Podría ser de interés que las personas hayan utilizado operativamente estos aviones a altitudes superiores a la envolvente de vuelo del diseño original del avión. Un uso en particular que me viene a la mente ha sido en aplicaciones especiales, como estudios fotográficos aéreos a gran altitud. Se ha utilizado un Cessna Turbo Stationair modificado en tales reconocimientos aéreos a gran altitud y se voló a altitudes superiores a 37.000 pies (11,3 km). El motor del avión, modificado para tener un turbocompresor de dos etapas, podría mantener suficiente presión en el colector para volar a tales altitudes.

El interior del avión estaba esencialmente despojado de artículos con exceso de peso sin usar (cinco de seis asientos) y otros equipos diversos e innecesarios. El compartimiento de la cámara, la cámara aérea y el equipo operativo de la cámara, la instrumentación de vuelo y las radios necesarias, y suficiente oxígeno (tanques), fueron elementos que se transportaron en dichos vuelos, junto con el combustible requerido. El propietario de este avión comentó que a tales altitudes el avión no volaba especialmente bien, pero era manejable. También comentó sobre la vista interesante mirando hacia abajo en los aviones comerciales que vuelan a una altitud inferior.

También podría ser de interés que otros mucho más livianos, esencialmente más pequeños, construidos comercialmente, de un solo lugar, sin energíalos aviones han volado de forma rutinaria a altitudes muy superiores a 40.000 pies (12,2 km). Estos son planeadores y se requiere oxígeno en esos vuelos. Aunque generalmente pesan menos de 270 kg (600 lb) (una cuarta parte del peso de un Cessna pequeño), tienen alas de mayor envergadura (55 pies o alrededor de 17 m, más o menos) con un área de ala generalmente similar en comparación con un Cessna pequeño. Aeronaves propulsadas por Cessna. Paul Bickle, director jubilado de la Instalación de Investigación de Vuelo Dryden de la NASA, voló un planeador Schweizer 1-23E a una altitud de 46 267 pies (14,102 km) el 25 de febrero de 1961. Su vuelo estaba dentro de una ola de Sierra y estaba a poco más de 2 horas de despegue hasta el aterrizaje. El récord de Bickle de altitud ganada, 42,303 pies (12,894 km), es indiscutible en un planeador de un solo lugar. Sufrió temperaturas del aire exterior de -65 grados centígrados que congelaron tanto el interior de su cubierta que no podía ver la amplia vista que tenía delante. Solo tenía sus instrumentos para guiar su vuelo y, debido a que no podía cerrar las rejillas de ventilación de aire exterior de la cabina, se enfrió tanto y se distrajo por el frío que tuvo dificultades para prestar atención al pilotaje de su planeador. Por supuesto, estuvo más atento a medida que su velamen se despejaba en aire más cálido a menor altitud. Además, Robert Harris voló un planeador Grob 102 de un solo lugar a una altitud récord de 49.009 pies (14,94 km) el 17 de febrero de 1986. Su vuelo también fue en una onda Sierra. se quedó tan helado y distraído por el frío que tuvo dificultades para prestar atención al pilotaje de su planeador. Por supuesto, estuvo más atento a medida que su velamen se despejaba en aire más cálido a menor altitud. Además, Robert Harris voló un planeador Grob 102 de un solo lugar a una altitud récord de 49.009 pies (14,94 km) el 17 de febrero de 1986. Su vuelo también fue en una onda Sierra. se quedó tan helado y distraído por el frío que tuvo dificultades para prestar atención al pilotaje de su planeador. Por supuesto, estuvo más atento a medida que su velamen se despejaba en aire más cálido a menor altitud. Además, Robert Harris voló un planeador Grob 102 de un solo lugar a una altitud récord de 49.009 pies (14,94 km) el 17 de febrero de 1986. Su vuelo también fue en una onda Sierra.

En 1952, Larry Edgar y Harold Klieforth establecieron un récord de altitud en un planeador Pratt-Read G-1 de dos plazas, elevándose a 44 255 pies (13,489 km) en una ola Sierra. Sin embargo, el 25 de abril de 1955, el planeador Pratt-Read de Larry Edgar fue destruido a sotavento de la Sierra por una nube de rotor a 17.000 pies (5,2 km) mientras investigaba la estructura turbulenta del rotor en la base de una ola. La aceleración que experimentó, superior a -20 g, le arrancó el casco, las botas, los guantes y la máscara de oxígeno. A medida que se desplazaba hacia abajo, pudo ver partes de su planeador que se elevaban y le preocupaba que si tiraba de la cuerda del paracaídas, también podría ser arrastrado hacia arriba. Afortunadamente, pudo aterrizar en paracaídas y sobrevivió sin romperse ningún hueso. La aceleración negativa extrema dañó parcialmente su visión.

Como se puede ver, se debe tener toda la precaución cuando se vuela una aeronave en condiciones que no están dentro de la envolvente de vuelo del diseño aerodinámico original de la aeronave. El avión volará, pero sin embargo, el control aerodinámico es crítico. Esto trae a la mente la siguiente precaución que es especialmente cierta en vuelos a gran altura, y que se conoce muy bien...

La aviación, aunque no es inherentemente peligrosa, es, en mayor medida que el mar, terriblemente implacable ante cualquier descuido, incapacidad o negligencia.

¿Qué impide que un avión pequeño como un Cessna o un Piper vuele tan alto como un jet?
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