Warum sind viele Düsenflugzeuge so konstruiert, dass sie um FL350-370 herumfliegen?

Mit einem Wort, die Tropopause .

Die Effizienz des Gasturbinentriebwerks verbessert sich mit kälterer und dichterer Luft. Wenn ein Flugzeug durch die Troposphäre steigt, sinken sowohl die Dichte als auch die Temperatur, und der Dichteverlust wird durch die niedrigere Temperatur mehr als ausgeglichen. Oberhalb der Tropopause nimmt die Dichte jedoch weiter ab, während die Temperatur (annähernd) konstant bleibt.

Im US-Standardatmosphärenmodell tritt dies bei 36.089 Fuß auf. Dies stellt eine lokale (möglicherweise globale) optimale Höhe für die Effizienz dar (und wenn es in größerer Höhe ein besseres Optimum gibt, ist es aus anderen Gründen nicht zugänglich).

Es gibt mehrere Faktoren, die ein Flugzeug basierend auf seiner Reiseflughöhe beeinflussen.

Die Reiseflughöhe wirkt sich direkt auf die Druckbeaufschlagung und Aerodynamik des Flugzeugs aus. Um die Kabinenhöhe bei etwa 6000 bis 8000 Fuß zu halten, müsste der Rumpf einer höheren Druckdifferenz standhalten. Dies würde mehr Material erfordern und das Flugzeug schwerer machen. Neuere Materialien, die bei der 787 und A350 verwendet werden, bewältigen diese Belastungen besser, was eine höhere Druckdifferenz und größere Fenster ermöglicht.

Auch die Höhe beeinflusst die Aerodynamik. Flugzeuge fliegen in großen Höhen typischerweise mit einer bestimmten Machzahl. Die angezeigte Fluggeschwindigkeit für eine bestimmte Machzahl wird mit zunehmender Höhe geringer. Dies kann zu einem geringeren Luftwiderstand führen, stellt jedoch Herausforderungen dar, wenn die Fluggeschwindigkeit geringer wird. Siehe: Was bestimmt die maximale Höhe, die ein Flugzeug erreichen kann?

Weitere Einzelheiten zu den aerodynamischen Aspekten finden Sie auch in der Antwort von Peter Kämpf .

In größeren Höhen steht den Motoren weniger Luft zur Verfügung, wodurch die verfügbare Leistung reduziert wird. Hinzu kommen Effizienzvorteile. Siehe: Warum erzielen Strahltriebwerke in großen Höhen eine bessere Kraftstoffeffizienz?

Wie die Antwort von Ghillie Dhu erklärt, nehmen diese Vorteile um FL360 nicht mehr zu.

Auch der Mangel an atembarem Sauerstoff und erhöhte Druckkräfte auf den Rumpf durch den niedrigeren Luftdruck führen zu erhöhten Risiken, was zu strengeren Vorschriften für Flugzeuge führt, die höher fliegen wollen. Diese Vorschriften werden zusätzliche Kosten für höhere Flüge verursachen und sich auf Entscheidungen über Dienstobergrenzen auswirken.

§ 25.365

(d) Die Flugzeugstruktur muss so ausgelegt sein, dass sie den Druckdifferenzbelastungen standhalten kann, die der maximalen Entlastungsventileinstellung multipliziert mit einem Faktor von 1,33 für Flugzeuge, die für den Betrieb bis 45.000 Fuß zugelassen werden sollen, oder mit einem Faktor von 1,67 für Flugzeuge bis zu, standhalten können für den Betrieb oberhalb von 45.000 Fuß zugelassen sein, wobei andere Lasten weggelassen werden.

Für Flugzeuge, die über 45.000 Fuß fliegen, muss die Struktur also einem noch höheren Druckbelastungsfaktor standhalten können.

§ 25.1441

(d) Die Sauerstoffdurchflussrate und die Sauerstoffausrüstung für Flugzeuge, für die eine Zulassung für den Betrieb über 40.000 Fuß beantragt wird, müssen genehmigt werden.

Flugzeuge, die über 40.000 Fuß fliegen, müssen eine Sondergenehmigung für das Sauerstoffsystem erhalten.

§ 25.841

(2) Das Flugzeug muss so konstruiert sein, dass die Insassen keiner Kabinendruckhöhe ausgesetzt werden, die nach der Dekompression aus einem Ausfallzustand, der sich nicht als äußerst unwahrscheinlich erwiesen hat, Folgendes überschreitet:
(i) fünfundzwanzigtausend (25.000) Fuß für mehr als 2 Minuten; oder
(ii) vierzigtausend (40.000) Fuß für eine beliebige Dauer.

Die Kabinenhöhe darf unter keinen Bedingungen, die nicht extrem unwahrscheinlich sind, 40.000 Fuß überschreiten. Je höher das Flugzeug fliegt, desto schwieriger wird es, dies zu zertifizieren.

Geschäftsflugzeuge haben in der Regel höhere Reiseflughöhen, da die kleinere Struktur für höhere Drücke leichter zu verstärken ist und typischerweise weniger Belastungszyklen ausgesetzt sind. Effizienz ist auch nicht so wichtig wie Geschwindigkeit und Komfort, daher kann etwas Gewicht für den stärkeren Rumpf gespart werden. Die größere Höhe bietet auch mehr Flexibilität bei der Streckenführung, da der meiste andere Verkehr, einschließlich kommerzieller Flugzeuge, in niedrigeren Höhen fliegt. Business Jets können auch nach weniger strengen Vorschriften zertifiziert werden.

Ich weiß, dass es bereits eine akzeptierte Antwort gibt, aber einige wichtige Fakten fehlen.

Hauptsächlich ist die optimale Reiseflughöhe dort, wo die Schub- und Auftriebsanforderungen sowohl für den Start als auch für den Reiseflug gut ausgeglichen sind. Ein zusätzlicher Vorteil ist die kühlere Luft, die den Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen erhöht .

Mit zunehmender Flughöhe benötigt das Verkehrsflugzeug:

1. Größere Motoren, um den nötigen Schub in dünnerer Luft zu erzeugen
2. Größere Flügel, um den benötigten Auftrieb zu erzeugen

Mit den Tragflächen wächst auch die Größe der Leitwerke; Dieser Effekt allein wird wahrscheinlich mehr wiegen als die Verstärkung der Rumpfstruktur für den erhöhten Kabinendruck. Höher zu fliegen macht fast alle Teile größer und schwerer.

Beachten Sie, dass Mach 0,85 eine harte Grenze für einen effizienten Flug ist; Verkehrsflugzeuge können die geringere Dichte nicht durch schnelleres Fliegen kompensieren. Die einzige Möglichkeit, höhere Flughöhen zu ermöglichen, besteht darin, größere Flügel und Leitwerke anzubringen.

Eine weitere Überlegung ist die Formel von Breguet: Düsenflugzeuge haben ihren optimalen Reiseauftriebskoeffizienten bei einem Wert von$c_L = \sqrt{0.6\cdot c_{D0}\cdot\pi\cdot AR\cdot\epsilon}$, wenn wir davon ausgehen, dass der Schub von Motoren mit hohem Bypass-Verhältnis mit der Geschwindigkeit proportional zu variiert$\text{v}^{-0.5}$, was eine vernünftige Annahme ist. Dies bedeutet, dass das Flugzeug nicht höher fliegen kann, indem es mit einem höheren Auftriebskoeffizienten fliegt: Dies würde die Effizienz verringern.

(Nomenklatur:$c_{D0}$= Nullauftriebswiderstand,$AR$= Flügelseitenverhältnis,$\epsilon$= Spannweitenwirkungsgrad, v = Fluggeschwindigkeit)

Mit der Flügelgröße und den Triebwerken, die für einen Flug mit Mach 0,82 in der Tropopause benötigt werden (Mach 0,85 ist wirklich nicht so effizient; folgen Sie dem Link , um herauszufinden, warum dies die angegebene Reisegeschwindigkeit für Langstreckenflugzeuge ist), die Startstrecke ist durchaus sinnvoll und entspricht in etwa den Flughäfen, die von der NATO während des Kalten Krieges definiert wurden. Ein höherer Flug in die Stratosphäre würde die Masse des Flugzeugs aufgrund größerer Triebwerke und Flügel erhöhen, würde jedoch nicht die Effizienzgewinne einer zunehmenden Reiseflughöhe in der Troposphäre mit sich bringen, wo die Temperatur mit der Höhe sinkt.

Umgekehrt würde die Auswahl einer niedrigeren Design-Reiseflughöhe es ermöglichen, sowohl Flügel als auch Triebwerke kleiner zu machen, aber dies würde zu Folgendem führen:

1. Höhere Start- und Landegeschwindigkeiten und kritische Geschwindigkeiten beim Start durch den kleineren Flügel,
2. Geringere Startbeschleunigung durch kleinere Motoren,
3. Bei Zwillingen: Zu wenig Schub beim Start, wenn ein Triebwerk ausfällt,
4. Niedrigere Steiggeschwindigkeiten, sodass es länger dauern würde, die Reiseflughöhe zu erreichen, und
5. Die kalte Luft oben in der Tropopause nicht voll ausnutzen.

Das Entwerfen für eine niedrigere Reiseflughöhe würde zu viel längeren Start- und Landebahnen und einem insgesamt weniger effizienten Flug führen.

Das Entwerfen für Kreuzfahrten in der Tropopause ist einfach der Sweet Spot für Flugzeugdesigner, wo alle Bedingungen gut zusammenpassen und ein ausgewogenes Ergebnis erzielen.

Wie im obigen Kommentar erwähnt, bin ich mir nicht sicher, woher Sie die FL400-Referenz beziehen, aber hier sind einige häufige Gründe, höher zu fliegen (nicht unbedingt FL400):

• Treibstoffeinsparung (effizienteres Fliegen in größeren Höhen -- siehe Link
• Höhere wahre Fluggeschwindigkeit
• Überwinde jedes Wetter/Turbulenzen/Vereisung
• Besserer NAVAID/Comm-Empfang
• Bessere Sichtbarkeit
• Mehr Höhe für eine bessere Gleitstrecke (ja, keine große Sache für Flugzeuge, aber denken Sie an SE)
• Weniger Verkehr

Einige Nachteile könnten sein:

• Anfälliger für Kompressorstillstände
• Mehr zu verlierende Höhe bei Verlust des Kabinendrucks/schneller Dekompression
• Schlechteres Wetter, um Vereisung einzuschließen
• Muss mit RVSM ausgestattet sein (wenn bis FL410 geflogen wird).