Warum fliegen Flugzeuge dann nicht noch höher, für noch mehr Effizienz? [Duplikat]

Einige tun es (oder hatten es in der Vergangenheit), aber sehr große Höhen bringen ihre eigenen Probleme mit sich. In der Vergangenheit fuhr die Concorde überall zwischen FL550 und FL600 und durfte dort oben nach eigenem Ermessen auf- und absteigen, da sie von jeglichem Verkehr frei waren . Der Anstieg des Druckunterschieds an der Flugzeugzelle sowie der Überschallflug bedeuteten jedoch, dass die Flugzeugzelle pro Zyklus viel stärkerem Verschleiß ausgesetzt war als ihre Freunde in geringerer Höhe.

Irgendwann nähern Sie sich der Sargecke einem Punkt, an dem, selbst wenn Sie genug Schub haben, Ihre Stallgeschwindigkeit Ihre kritische Machzahl überschreitet (effektiv kann Ihr Flügel nicht richtig funktionieren). Das Spionageflugzeug U2 kann genau an dieser Kante fliegen .

Einer der großen praktischen Begrenzungsfaktoren ist auch die Anforderung des schnellen Abstiegs für die Zertifizierung von Flugzeugzellen. Die FAA verlangt, dass das Flugzeug im Falle einer Druckentlastung in 10 Minuten auf 10.000 Fuß (keine Sauerstoff-Höhe erforderlich) herunterkommen kann, wie hier besprochen . Je höher Sie gehen, desto schneller muss der Notabstieg sein, schließlich wird dies zu einem technischen Problem und die Flugzeugzelle wird zum begrenzenden Faktor, da Sie Vne im Tauchgang nicht überschreiten möchten.

Bitte beachten Sie die Deckenhöhe .

Oberhalb dieser Höhe kann das Flugzeug nicht schnell genug fliegen, um genügend Auftrieb zu erzeugen, um in der Luft zu bleiben.

Dies wird beeinflusst durch:

• Gewicht (mehr Gewicht braucht mehr Auftrieb)
• Motorleistung (mehr Auftrieb bedeutet mehr Luftwiderstand, der durch Motorleistung überwunden wird)
• L / D-Verhältnis (wenn Sie bei gleichem Auftrieb weniger Luftwiderstand haben können, können Sie etwas höher fliegen, der Rest ist gleich)

Insgesamt werden die Motoren also besser, aber Sie fliegen etwas tiefer, bei Ihrer idealen Reisegeschwindigkeit, und verbrauchen somit weniger.

Ich möchte nur mit einer Antwort (und nicht mit einem Kommentar) einspringen, da anscheinend mehr als eine Antwort darauf hindeuten möchte, dass die maximale Obergrenze für aktuelle Flugzeuge von der (verfügbaren) Triebwerksleistung bestimmt wird.

Fliegen in größeren Höhen: Ja, Sie verlieren an Dichte, ja, Sie verlieren dadurch etwas Auftrieb, und ja, Sie müssen schneller fliegen, um diesen Auftrieb zu erzeugen. Dem Flugzeug ist es jedoch egal: Diese höhere Geschwindigkeit geht mit einer Abnahme der Dichte einher. Das bedeutet, dass der Flügel den gleichen dynamischen Druck und die gleichen aerodynamischen Kräfte erfährt wie am Boden . Deshalb gibt es überhaupt einen Unterschied zwischen IAS und TAS. Das gleiche L/D-Verhältnis bedeutet, dass Sie den gleichen Auftrieb und den gleichen Luftwiderstand (ok, fast) wie auf Meereshöhe erzeugen.

Und während es für ein Kolben-/Propellertriebwerk einen Unterschied machen kann, liefert ein Düsentriebwerk keine konstante Leistung, sondern einen konstanten Schub. Das bedeutet , dass Triebwerke die gleiche Kraft auf das Flugzeug übertragen, unabhängig davon, wie schnell wir uns bewegen .

Wo ist also der Haken für die Flugzeugdecke? Kompressibilität . Sobald Sie beginnen, die Kompressibilität zu berücksichtigen (die in großen Höhen wichtig wird), wird IAS zu EAS, und der Flügel kann sogar bei einer angezeigten Fluggeschwindigkeit von 300 kt beginnen zu stagnieren. Steigen Sie hoch genug und ziemlich bald wird Ihr Flügel sogar bei Überschallgeschwindigkeit abwürgen. Höchstgeschwindigkeit und Mindestgeschwindigkeit treffen aufeinander und Sie befinden sich in der gefürchteten Sargecke.

Beachten Sie, dass das Problem fast ausschließlich aerodynamisch ist und durch bessere Flügel gelöst werden kann, die nichts mit Motoren oder Leistung zu tun haben.

(.. dann werden Ihre Motoren natürlich irgendwann nach Sauerstoff streben, was meinen Punkt überflüssig macht, aber das ist nicht der Grund, warum Flugzeuge der aktuellen Generation im Moment nicht höher fliegen können.)

Sie haben recht, wenn Sie verstehen, dass Fluggesellschaften hauptsächlich höher fliegen, um einen effizienteren Flug zu haben, da der Luftwiderstand aufgrund der dünner werdenden Atmosphäre deutlich geringer ist.

Erläuterung:

Es gibt jedoch ein paar Probleme, die mit zunehmender Höhe zunehmen. Ihre Flügel und Triebwerke sind bei der Bereitstellung von Auftrieb bzw. Schub in geringeren Höhen effizienter. Die Flügel erzeugen Auftrieb durch den Luftdruckunterschied, der über und unter den Flügeln fließt. Wenn Sie Ihre Höhe erhöhen, werden Ihre Flügel weniger effizient, denn während der Luftwiderstand geringer ist, müssen Sie jetzt die Luftgeschwindigkeit erhöhen, die an Ihren Flügeln vorbeiströmt, um den gleichen Druck beizubehalten, der dann den gleichen Auftrieb erzeugt.

Der Überschallflug (Flug über Mach 1) unterscheidet sich erheblich vom Unterschallflug. Die Luft wird sich vom Flügel lösen, wenn sie die Schallmauer durchbricht, und Sie dadurch an Auftrieb verlieren. Wie im vorherigen Absatz erwähnt, müssen Sie mit zunehmender Höhe Ihre Geschwindigkeit erhöhen. Wenn Sie sich dann Mach 1 nähern, steigt der Luftwiderstand exponentiell an. Der durchschnittliche Jetliner fliegt mit 0,75 Mach, Sie können also sehen, dass wir dieser Barriere bereits nahe genug sind, um uns wohl zu fühlen.

Die Triebwerke selbst sind auch darauf angewiesen, dass Luft durch sie strömt, um Schub zu liefern, und werden in größeren Höhen weniger effizient.

Zusamenfassend:

Kurz gesagt, es wird wirklich zu einem Balanceakt, bei dem Sie feststellen müssen, ob die zusätzliche Höhe und Geschwindigkeit die drastische Erhöhung des Kraftstoffs wert sind, der zum Antreiben der Motoren erforderlich ist, um Sie auf eine für Ihre Höhe angemessene Geschwindigkeit zu bringen. Mit der heutigen Technologie wird es nicht als kosteneffektiv angesehen.

Zum Vergleich: Der Überschalljet „Concorde“ erreichte eine Höhe von etwa 60.000 Fuß, während der Unterschalljet „747“ eine Höhe von etwa 45.000 Fuß erreichte.

Wenn Flugzeuge deutlich höher fliegen würden als heute, würden sie in der Stratosphäre fliegen. Die Umweltverschmutzung in der Stratosphäre hat eine viel größere globale Auswirkung als in der Troposphäre, da Schadstoffe dort viel länger verbleiben (längere Verweildauer). Wenn Flugzeuge keine anderen Gründe hätten, die Stratosphäre zu meiden, wären Umweltbelastungen ein sehr guter Grund, sie von dort fernzuhalten.

Obwohl es einen gewissen Luftaustausch zwischen der Troposphäre und der Stratosphäre gibt, ist dieser viel geringer als der Luftaustausch innerhalb der Troposphäre, der aufgrund des Wetters ständig stattfindet. Die Europäische Umweltagentur erklärt, wie Schadstoffe, wenn sie in die Stratosphäre gelangen, dort jahrelang oder sogar Jahrzehnte bleiben können. Schadstoffe in der unteren Troposphäre können nur Tage oder Wochen verbleiben.

Vor einigen Jahrzehnten gab es Befürchtungen, dass weit verbreitete Flüge in die Stratosphäre zu einer erheblichen Verschmutzung der Stratosphäre, einschließlich Ozonabbau, führen würden. Da eine weit verbreitete Luftfahrt in der Stratosphäre nie zustande kam, gibt es nicht viele neuere Quellen zu diesem Thema:

• Überschallpläne bedrohen die Ozonschicht , Juni 1990
• Sollen Flüge in die Stratosphäre verboten werden? , New Scientist, April 1994
• Umweltauswirkungen des Stratosphärenflugs , National Research Council. 1975

Eine Flugart durchquert jedoch immer die Stratosphäre: Weltraumstarts. In der Raumfahrtindustrie wurde die Stratosphärenverschmutzung spezifischer angegangen. Zum Beispiel:

• Zeit, die Luft über die Umweltverschmutzung durch den Start zu reinigen , Space News, Juli 2018:

Der größte Teil der vom Menschen verursachten Verschmutzung konzentriert sich auf oder nahe der Erdoberfläche, sei es an Land, im Meer oder in der Troposphäre, der untersten Schicht der Atmosphäre. Raketen emittieren jedoch eine Vielzahl von Gasen und Partikeln direkt in alle Ebenen der Stratosphäre, die einzige industrielle Aktivität, die dies tut. Die Stratosphäre erstreckt sich etwa 10 bis 50 Kilometer über der Erdoberfläche und enthält die Ozonschicht der Erde. Die globale zivile Luftfahrtflotte kreuzt im Allgemeinen in der Troposphäre und verschmutzt nur gelegentlich direkt die Stratosphäre.

Einzelheiten zu diesen Prozessen erhalten Sie bei Earth Science Stack Exchange .

Die maximale Höhe für wirtschaftliches Cruisen wird durch die Motortechnologie festgelegt. Alle luftatmenden Triebwerke verlieren mit zunehmender Höhe an Leistung, was die Fähigkeit der Triebwerke zur Aufrechterhaltung des Fluges einschränkt. für jede gegebene Triebwerksklasse (Kolbenmotor, aufgeladener Kolbenmotor, Turbojet, Turbofan, Turboprop usw.) gibt es daher eine entsprechende maximale Reiseflughöhe.