Was sind die einschränkenden Faktoren für Flugzeuge in großer Höhe (z. B. U2 oder SR71), die sie daran hindern, höher zu fliegen?

Ich bin neugierig, warum Flugzeuge wie die U2 Dragon Lady und die SR71 Blackbird nicht höher fliegen konnten. Welche physische Einschränkung hat ihre Betriebsobergrenze festgelegt?

Piloten trugen Raumanzüge, das war also nicht der limitierende Faktor. War die Luft zu dünn, um genügend Auftrieb zu geben? Gab es nicht genug Sauerstoff für die Motoren? Irgendein anderer Grund?

BEARBEITEN: Meine Frage bezieht sich speziell auf Flugzeuge, die für Höhenflüge ausgelegt sind, nicht auf allgemeine Flugzeuge. Um den Umfang meiner Frage einzugrenzen, betrachten Sie den SR-71 als prototypisches Beispiel. Was hat die Betriebsobergrenze des SR-71 festgelegt?

Nicht duplizieren. Bearbeitete Frage, um den Umfang einzuschränken.
Selbst mit Ihrer Einschränkung sehe ich nicht, wie die andere Frage hier nicht gelten würde, tbh. Physik ist für alle gleich.
@Federico Die andere Frage bietet 5-7 mögliche einschränkende Faktoren. Meine Frage ist, welcher davon der limitierende Faktor für den SR-71 war.
Vielleicht ein Duplikat im Fall des U-2 (begrenzt durch niedrige IAS / hohe Mach #), aber mit ziemlicher Sicherheit KEIN Duplikat im Hinblick auf den SR-71. Als erste Vermutung vermute ich, dass die aerodynamische Erwärmung ein Teil dessen gewesen sein könnte, was den SR-71 daran gehindert hat, höher / schneller zu fliegen, aber ich wäre an einer Antwort interessiert, die fundierter ist als meine Vermutung. Gute Frage, IMHO.
@Ralph J, die maximalen Reisebeschränkungen des SR-71 sind überwiegend Triebwerk und Hitze, aber die Höhenbeschränkungen bleiben meines Wissens nach klassifiziert. Einlassprobleme sind wahrscheinlich primäre Grenzen bei 3,4, aber die A-12 hatte einen Flug mit höheren Geschwindigkeiten (und war leichter).

Antworten (3)

Der begrenzende Faktor für Unterschallflugzeuge, einschließlich der U-2, wird hier gut erklärt .

Für Überschallflugzeuge besagt diese Antwort einfach, dass die Grenze "eine Kombination aus Flächenbelastung und Höchstgeschwindigkeit" ist. Schaut man sich den Flugbereich der SR-71 unten an, wird deutlich, dass sich mehr Höhe am besten mit mehr Geschwindigkeit erkaufen lässt.

SR-71 Flughüllkurve

Flughüllkurve SR-71 ( Bildquelle ). Turmbrummen bei Mach 3 ist eindeutig unmöglich.

Überschallgeschwindigkeitsbegrenzungen

  1. Einlassdesign: Wenn die kinetische Energie der Strömung nicht effizient in Druck im Einlass umgewandelt werden kann , leidet der Schub und sinkt, wenn die Flugmachzahl über die Grenzen des Einlasses hinaus erhöht wird .
  2. Effizienz der Flugzeugzelle: Wenn die Vorderkantenbewegung der Flugflächen nicht hoch genug ist, um diese Vorderkanten innerhalb des Mach-Kegels zu halten, steigt der Luftwiderstand und begrenzt die Höchstgeschwindigkeit eines Designs. Der Wunsch, Geschwindigkeiten von Mach 2+ zu erreichen, war der Antrieb für die vielen Schwenkflügeldesigns der 1960er Jahre.
  3. Druckgastemperatur: Sobald die Kompressionsheizung im Einlass die Gastemperatur in die Nähe seiner Dissoziationstemperatur bringt, kann die chemische Energie im Kraftstoff nicht vollständig in Wärme umgewandelt werden. Dies verringert den Motorwirkungsgrad und ist der Grund für die Überschallverbrennung bei Konstruktionen für Geschwindigkeiten über Mach 4 oder 5.
  4. Aerodynamische Erwärmung: Metalle und Verbundwerkstoffe zeigen mit steigender Temperatur abnehmende Festigkeit . Fliegen Sie einige Zeit schnell genug, und die Struktur kann die Fluglasten nicht ertragen, selbst wenn der dynamische Druck konstant gehalten wird.

Die Reihenfolge, in der ich diese Grenzen aufgelistet habe, ordnet sie mit zunehmender Geschwindigkeit. Sobald Sie über Mach 1,6 hinausgehen, muss jedes aufeinanderfolgende Zehntel der höchsten Machzahl mit steigenden Kosten und Kompromissen erkauft werden. Mit der aktuellen Technologie wird es nur mit Raketen möglich sein, über Mach 5 hinauszugehen , sodass diese Designs schnell zu Satelliten mit niedriger Umlaufbahn werden. Am Ende lohnt es sich einfach nicht , das Limit noch weiter zu verschieben.

EDIT: Es scheint, dass die Antwort nicht explizit genug ist. Wenn wir ein Gedankenexperiment wagen und den SR-71 modifizieren, um größere Höhen zu erreichen, sind die möglichen Optionen:

  1. Einfach am Steuerknüppel ziehen: Das hilft kurzfristig, aber das Fliegen im Stand bei geringerer Dichte würde einen höheren Auftriebsbeiwert und einen höheren Anstellwinkel erfordern. Dies würde das Gesamt-L / D des Flugzeugs verringern und es verlangsamen, da die Triebwerke keinen ausreichenden Schub entwickeln könnten.
  2. Erhöhen Sie den Triebwerksschub: Dies könnte im Flug versucht werden, indem Sie die Drosseln bei Höchstgeschwindigkeit vorschieben, und das Flugzeug würde beschleunigen. Dies würde jedoch schnell die Grenze der Kompressoreintrittstemperatur überschreiten , was zu einer kürzeren Lebensdauer oder sogar zu einer Beschädigung des heißen Teils des Motors führen würde. Als nächstes würde die Reichweite aufgrund des höheren Kraftstoffverbrauchs leiden. Wenn der Motor durch Verwendung besserer Materialien verbessert wird, ist eine moderate Erhöhung der Reisemach und damit der Flughöhe möglich.
  3. Geringere Flächenbelastung: Ein leichteres Flugzeug kann mit einer geringeren Dichte fliegen , wenn alle anderen Parameter gleich sind. Am Ende einer Reise konnte die SR-71 wie jedes andere Flugzeug die höchste Höhe erreichen . Strukturelle Änderungen, um die Struktur über die Entfernung aller Aufklärungsgeräte hinaus leichter zu machen, hätten jedoch nur begrenztes Potenzial: Der SR-71 wurde bereits effizient konstruiert, sodass es nur sehr wenig Potenzial für Gewichtseinsparungen gibt, ohne die Strukturfestigkeit zu beeinträchtigen. Und das Entfernen der Kameras und seitlichen Radargeräte würde das Flugzeug seines Betriebswerts berauben.
Ausgezeichnete, gut fundierte Antwort. Allerdings beantwortet es die Frage nur halb. Sie stellten fest, dass der SR71 nicht höher fahren konnte, weil er nicht schneller fahren konnte. Warum musste es schneller gehen, um höher zu kommen? Gab es bei niedrigeren Geschwindigkeiten nicht genug Auftrieb? Nicht genug Luft für die Motoren?
Interessante Antwort zur Geschwindigkeit, aber OP fragte nach der Betriebsobergrenze.
@Nelson: Wir missbilligen hier das Kopieren anderer Antworten in eine neue und ziehen es vor, zu verlinken. Lesen Sie die verlinkten Antworten. Wenn dies Ihre Frage immer noch nicht beantwortet , können Sie eine neue stellen. Stellen Sie sicher, dass Sie erklären, warum die anderen Antworten nicht helfen konnten.
@PeterKämpf Ich bin mir nicht sicher, was Sie mit "andere Antworten in eine neue kopieren" meinen. Was soll ich nicht tun? Ich will hier keinen Ärger machen :)
Um die Flächenbelastung zu reduzieren (Definition: Gewicht dividiert durch Flügelfläche), könnten Sie das Gewicht verringern oder die Flügelfläche vergrößern. Könnte die hypothetische Lösung Nr. 4 für das obige Gedankenexperiment "die Flügel größer machen" lauten? Ich nehme an, das könnte einige andere Probleme hinzufügen (Kompromiss mit erhöhtem Luftwiderstand, Gewicht usw.), daher ist die Diskussion für eine einfache SE-Frage möglicherweise etwas zu weit fortgeschritten ...
@Nelson: Das wäre ein neues Design. Sie können realistisch gesehen nur Fläche an der Hinterkante hinzufügen, und jetzt wird das Flugzeug kopflastig sein. Sie brauchen einen neuen Rumpf, bewegen die Tragfläche nach vorne, was auch immer. Ein neues Design, aber nicht mehr der SR-71.
@Nelson: Wenn ich hier meine Antwort oder die Antwort einer anderen Person auf eine andere Frage in meiner Antwort kopiere, meine ich das. Du machst das gut.

Oberhalb von 100.000 Fuß gibt es fast überhaupt keine Luft, also keinen Sauerstoff zum Verbrennen von luftatmenden Motoren und keine Luft zum Erzeugen von Auftrieb oder zum Reagieren von Steuerflächen.

In den 1960er Jahren hatte die USAF zwei Forschungsflugzeuge, die 100.000 Fuß überschreiten konnten. Könnte mehr gehabt haben, aber das sind die beiden, an die ich mich erinnere:

Der NF-104 konnte etwas über 100.000 Fuß fliegen, indem er einen Raketenmotor über 70.000 Fuß für den Antrieb und kleine Reaktionsraketen zur Lagekontrolle verwendete. Es wurde als kostengünstiger X-15-Trainer gebaut, da seine hohen Flüge die Betriebseigenschaften des X-15 simulierten.

Die X-15 konnte erheblich über 100.000 Fuß fliegen, wobei sie jederzeit einen Raketenmotor (nach dem Start von einer B52) und kleine Reaktionsraketen zur Lagekontrolle verwendete.

Der Punkt ist, dass diese Flugzeuge zu dem Zeitpunkt, als sie 100.000 Fuß überschritten hatten, nicht flogen. Sie folgten einem ballistischen Bogen, angetrieben von einer Rakete, und wurden ausschließlich durch Trägheit und nicht durch Auftrieb in der Luft gehalten.

Also - warum sind U2 und SR71 nicht höher geflogen? Ein Grund ist - sie bräuchten Raketentriebwerke mit Oxydierer an Bord für den Antrieb, der eine ziemlich kurze Reichweite hat und sehr temperamentvoll ist.

Das Erfordernis eines Raketenantriebs würde den Hauptvorteil beider Flugzeuge zunichte machen: die Fähigkeit, lange Zeit in großer Höhe zu bleiben.

Eine Öffnung von 1 m^2 bei 100.000 Fuß durchquert 29 kg Atmosphäre pro Sekunde bei Mach 5. Eine Öffnung von 1 m^2 auf Meereshöhe bei Mach 0,5 durchquert 208 kg/s. Das ist "nur" ein Faktor von 10. Ein Flugzeug mit einem riesigen Kegel dazu zu bringen, genug Luft zu bekommen und es diese Geschwindigkeiten überleben zu lassen, kann sehr schwierig sein, sieht aber bei 100000 Fuß physikalisch nicht unmöglich aus.

Im Falle der U-2 und der SR-71 bieten die Höhen, in denen sie operieren, Schutz vor Bedrohungen und, was noch wichtiger ist, eine Flächenabdeckung für ISR-Sensoren (Intelligence, Surveillance and Reconnaissance). Das Gehen auf 100.000 Fuß bietet weder einen signifikanten Geheimdienstvorteil noch einen größeren Schutz vor Bedrohungen.

Leistungsobergrenzen können durch die Bereitstellung verschiedener Kraftwerke überwunden werden. ECS (Environmental Control) kann (falls erforderlich) neu gestaltet werden, um größere Höhen zu bewältigen.

Bearbeiten Nr. 2: Im speziellen Fall des SR-71 begrenzten die Schubfähigkeiten und die Flügeloberfläche den maximal anhaltenden Flug. Praktisch war das knapp unter etwa 85.000 Fuß. In bestimmten Situationen wurden jedoch auch Höhen darüber geflogen.

Bearbeiten Nr. 1: Oberhalb von etwa 100.000 Fuß fällt die atmosphärische Dichte ab, was eine praktische Einschränkung für den Betrieb von Tragflügeln und luftatmenden Triebwerken darstellt.

Da ich die meiste Zeit meiner Karriere mit SR-71-, U-2- und Satellitenanlagen gearbeitet habe, ist das eigentliche Problem, wie ich es verstehe, dass die Notwendigkeit für Flugzeuge, höher zu fliegen, nicht festgestellt wurde, und daher gibt es keinen Geschäftsgrund dafür Flugzeuge dafür entwickeln.

Kein größerer Bedrohungsschutz bei 100.000 vs. 80.000? Wirklich??? Eine SA-2 / SA-3 / SA-Was auch immer-Rakete mit genug Energie, um ein Mach 3-Ziel bei 80.000 zu erreichen, hätte möglicherweise die Energie, um dasselbe Ziel bei 100.000 zu erreichen, aber ihr Angriffsbereich wäre viel kleiner und es wäre einfacher mit einer kleinen Drehung zu besiegen. Es gab Gründe (Satelliten), warum der SR-71 nicht in der Nähe war, aber darum geht es in dieser Frage nicht.
Die Frage lautete, was die physische Einschränkung ist, und die Realität ist, dass es keine wesentlichen physischen Einschränkungen gibt. Vielmehr handelt es sich um bedarfsabhängige Einschränkungen, und Flugzeuge, die ISR (die von ihm erwähnte Beispielklasse) bei 120.000 Fuß durchführen würden, boten keinen wesentlichen Nutzen, um die Kosten zu rechtfertigen. Mit anderen Worten, Höhenflüge sind ohne weiteres lösbar, nur wirtschaftlich nicht vertretbar.
Erwähnenswert ist, dass die SR-71 routinemäßig über 80.000 flog, obwohl, soweit ich weiß, die maximale Betriebshöhe klassifiziert bleibt. Ein Freund, der das NASA-Flugzeug SR-71 flog, bestätigte, dass die maximale Höhe immer noch klassifiziert war, als sie diesem Flugzeug zugewiesen wurde.
Übrigens ist es bemerkenswert, dass die A-12 eine veröffentlichte Dienstobergrenze von 95.000 Fuß hatte. Er wog etwas weniger als der SR-71, da die Nutzlastkapseln anders konfiguriert waren. NICE GIRL war ein Flyoff zwischen beiden Flugzeugen und unterschied einige ihrer Fähigkeiten. Gewicht ist alles, und die YF-12 hatte eine veröffentlichte Obergrenze von 90.000 Fuß. Der SR-71 war schwerer als beide, akzeptierte aber nützlichere Nutzlasten.
Es kann wie Dichteverluste von 100.000 Fuß aussehen, aber nur, wenn Sie es mit linearen Skalen darstellen. Hier habe ich das NRLMSISE00-Modell für eine logarithmische Darstellung verwendet, und wie zu erwarten ist, gibt es keine Änderung der Steigung bei oder um 100.000 Fuß.
Bei 100.000 Fuß gibt es etwa 1% der Dichte des Meeresspiegels. Linear / Log, was sind ein paar Moleküle unter Freunden? Die Realität ist, dass ein Strahltriebwerk, um im 100.000-Fuß-Bereich zu laufen, eine Art großen Kompressor benötigt. Ich nehme an, das könnte ein großer einsetzbarer Kompressor sein, oder, wie im Fall eines SR-71, A-12 usw., könnte es die Kompression sein, die relative Winde auf Mach-Niveau verursacht.
Was sind die einschränkenden Faktoren für Flugzeuge in großer Höhe (z. B. U2 oder SR71), die sie daran hindern, höher zu fliegen?
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