¿Cuáles son los factores limitantes para los aviones de gran altitud (p. ej., U2 o SR71) que les impiden volar más alto?

El factor limitante para los aviones subsónicos, incluido el U-2, se explica bien aquí .

Para aviones supersónicos, esta respuesta simplemente dice que el límite es "una combinación de carga alar y velocidad máxima". Si observa la envolvente de vuelo del SR-71 a continuación, queda claro que se puede comprar más altitud con más velocidad.

Sobre de vuelo SR-71 ( fuente de la imagen ). El zumbido de la torre a Mach 3 es claramente imposible.

Límites de velocidad supersónica

1. Diseño de entrada: si la energía cinética del flujo no se puede convertir eficientemente en presión en la entrada , el empuje se verá afectado y disminuirá cuando el número de Mach de vuelo se incremente más allá de los límites de la entrada .
2. Eficiencia del fuselaje: si el barrido del borde de ataque de las superficies de vuelo no es lo suficientemente alto para mantener esos bordes de ataque dentro del cono de Mach, la resistencia aumentará y limitará la velocidad máxima de un diseño. El deseo de alcanzar velocidades Mach 2+ fue el impulsor de muchos diseños de alas oscilantes de la década de 1960.
3. Temperatura del gas comprimido: una vez que el calentamiento por compresión en la admisión acerca la temperatura del gas a su temperatura de disociación, la energía química del combustible no puede convertirse completamente en calor. Esto reduce la eficiencia del motor y es la razón de la combustión supersónica en diseños para velocidades superiores a Mach 4 o 5.
4. Calentamiento aerodinámico: los metales y los compuestos muestran una resistencia decreciente con el aumento de la temperatura . Vuele lo suficientemente rápido durante algún tiempo, y la estructura no puede tolerar las cargas de vuelo, incluso si la presión dinámica se mantiene constante.

El orden en que enumeré esos límites los clasifica con velocidad creciente. Una vez que se mueve más allá de Mach 1.6, cada décima consecutiva del número de Mach de vuelo superior debe comprarse con gastos y compromisos crecientes. Ir más allá de Mach 5 con la tecnología actual solo será posible con cohetes , por lo que esos diseños se convierten rápidamente en satélites de órbita baja. Al final, simplemente no vale la pena empujar el límite aún más.

EDITAR: Parece que la respuesta no es lo suficientemente explícita. Si intentamos un experimento mental y modificamos el SR-71 para alcanzar altitudes más altas, las opciones posibles son:

1. Simplemente tire de la palanca: esto ayuda a corto plazo, pero volar estacionario a una densidad más baja requeriría un coeficiente de sustentación más alto y un ángulo de ataque más alto. Esto reduciría la L/D general del avión y lo ralentizaría porque los motores no podrían desarrollar suficiente empuje.
2. Aumentar el empuje del motor: esto podría intentarse en vuelo avanzando los aceleradores a la velocidad máxima, y ​​la aeronave aceleraría. Sin embargo, esto superaría rápidamente el límite de la temperatura de entrada del compresor , lo que reduciría la vida útil o incluso dañaría la sección caliente del motor. A continuación, la autonomía sufriría debido al mayor consumo de combustible. Si se mejora el motor mediante el uso de mejores materiales, es posible un aumento moderado de Mach de crucero y, en consecuencia, de la altitud de vuelo.
3. Carga alar más baja: un avión más ligero puede navegar a una densidad más baja , todos los demás parámetros son iguales. Al final de un viaje, el SR-71 podría alcanzar la mayor altitud, como cualquier otro avión . Sin embargo, los cambios estructurales para aligerar la estructura más allá de la eliminación de todo el equipo de reconocimiento tendrían un potencial limitado: el SR-71 ya se diseñó de manera eficiente, por lo que hay muy poco potencial para ahorrar peso sin comprometer la resistencia estructural. Y quitar las cámaras y los radares laterales quitaría al avión su valor operativo.

Por encima de los 100,000 pies, casi no hay aire, por lo que no hay oxígeno para quemar los motores que respiran aire, y no hay aire para producir sustentación o para que las superficies de control reaccionen.

En la década de 1960, la USAF tenía dos aviones de investigación que podían superar los 100.000 pies. Podría haber tenido más, pero estos son los dos que recuerdo:

El NF-104 podría volar un poco más de 100,000 pies usando un motor de cohete por encima de los 70,000 pies para la propulsión y pequeños cohetes de reacción para proporcionar control de actitud. Fue construido como un entrenador X-15 de bajo costo ya que sus vuelos altos simulaban las características operativas del X-15.

El X-15 podía superar considerablemente los 100.000 pies, utilizando un motor de cohete en todo momento (después de ser lanzado desde un B52) y pequeños cohetes de reacción para proporcionar control de actitud.

El punto es que cuando esos aviones superaron los 100,000 pies, no estaban volando. Seguían un arco balístico, propulsados ​​por un cohete, y se mantenían en el aire enteramente por inercia, no por sustentación.

Entonces, ¿por qué el U2 y el SR71 no volaron más alto? Una de las razones es que necesitarían motores de cohetes con oxidante a bordo para la propulsión, que tiene un alcance bastante corto y es muy temperamental.

El requisito de la propulsión de cohetes anularía la principal ventaja de ambos aviones: la capacidad de permanecer a gran altura durante largos períodos de tiempo.

En el caso del U-2 y el SR-71, las altitudes a las que operan brindan protección contra amenazas y, lo que es más importante, cobertura de área para sensores ISR (inteligencia, vigilancia y reconocimiento). Ir a 100,000 pies no proporciona un beneficio de inteligencia significativo, ni proporciona una mayor protección contra amenazas.

Los techos de servicio se pueden superar proporcionando diferentes motores. ECS (control ambiental) se puede rediseñar (si es necesario) para manejar altitudes más altas.

Edición n. ° 2: en el caso específico del SR-71, las capacidades de empuje y el área de superficie del ala limitaron el vuelo sostenido máximo. Prácticamente, eso fue justo por debajo de unos 85.000 pies. Sin embargo, en ciertas situaciones, se volaron altitudes superiores.

Edición n. ° 1: por encima de los 100,000 pies, la densidad atmosférica cae, lo que proporciona una limitación práctica para la operación de la planta de energía aerodinámica y de respiración de aire.

Tal como lo entiendo, después de haber trabajado la mayor parte de mi carrera con SR-71, U-2 y activos satelitales, el problema real es que no se ha establecido la necesidad de que los aviones vayan más alto y, por lo tanto, no hay ningún caso comercial para desarrollar aviones para hacerlo.