Vilka faktorer bestämmer maxhöjden för ett plan?
Är det begränsat av vinge design, motordrivning, och så vidare?
Finns det en formel med vilken man kan beräkna den maximala höjden ett plan kan nå?
Ju högre du får, desto lägre blir densiteten hos luften. Denna lägre densitet resulterar i att en lägre lyft genereras för samma flyghastighet och angreppsvinkel. Ju högre du flyger desto högre blir din minsta hastighet. Så medan du klättrar måste din hastighet öka för att kompensera för den lägre lufttätheten. Så länge du kan flyga snabbare, kan den lägre densiteten vid höjden kompenseras för.
I grund och botten finns det två saker som begränsar din maximala hastighet: tryck och ljudhastighet och därmed din maximala höjd.
Först är drivkraft; Ju högre du får desto lägre drivkraft ger dina motorer. Du kanske noterar att dra släcks också med lufttätheten, men eftersom du flyger snabbare och snabbare under stigningen minskar inte draet alls. Om din maximala höjd är begränsad av dragkraft, då vid någon tidpunkt under stigningen, kommer dragkraft och dra att bli nära lika och det är där stigningen stannar. När du inte kan klättra längre än 100ft per minut (för propellflygplan) eller 500ft per minut (för jet / turbofanflygplan) har du nått ditt serviceloft . Om flygplanets maximala höjd bestäms av dragkraft, tar det absoluta taket mycket lång tid att nå.
Vid höga höjder kommer andningsmotorerna att få problem i slutändan. På grund av den lägre lufttätheten reduceras massflödet genom motorn upp till en punkt där det orsakar en flamma.
Den andra begränsningen är ljudets hastighet, åtminstone för subsoniska flygplan. Vid framställning av lyft accelereras luft som flyter över vingeens topp. Vid ett tillfälle, när flygplanet fortfarande flyger under ljudets hastighet, börjar chockvågor bilda sig över vingen. Detta resulterar i ökning av drag och minskar hissen. Så länge du har tillräckligt med motorkraft till ditt förfogande kan du klättra upp till en höjd där din minsta hastighet också är din maxhastighet. Detta kallas kistahörnet . I kistan hörnet:
Eftersom noggrann kunskap om motorens prestanda behövs, behövs drag och vingeegenskaper för flygplanet, det finns inte en enkel formel för att härleda maximal höjd för ett flygplan.
Förutom de prestanda relaterade begränsningarna ovan är det en certifierad maximal driftshöjd för tryckkabinen. Detta tar hänsyn till skrovets strukturella egenskaper (tryckskillnad mellan inuti och utvändigt) och den uppnådda akutdämpningsfrekvensen vid ett tryckfall.
Högsta höjden är begränsad av ett antal faktorer, och den som räknas beror på det specifika flygplanet. Dessa är:
Motoreffekt . Luftpumpmotorer ger mindre effekt, desto högre drivs de på grund av minskad densitet med höjd. I framdrivningsmotorer kan detta övervinnas med turboladdning, och dedikerade kolvmotorer med hög höjd använder turbo-laddare med tre steg med intercoolers. I dedikerad design med hög höjd är motorn den minsta delen av framdrivningspaketet, det mesta är kylning och kanalisering. Propellern måste matchas med låg densitet vid hög höjd, ökar i diameter för användning i luft med låg densitet.
Förbränningskammartryck : Höjdgränsen för jetmotorer bestäms mestadels av tryckförhållandet mellan inlopp och kompressor. Om detta tryck sjunker under minsta möjliga förbränning, kommer motorn att flamma ut. Eftersom jetmotorer i princip är en stor turboladdare där kolvmotorn har ersatts av en förbränningskammare blir denna förbränningskammare den svaga länken.
Wing loading : Ju lägre vingebelastningen, den lägre lufttätheten kan bli innan en vinge misslyckas med att ge tillräckligt med hiss. Om motorerna producerar tillräckligt med ström för upprepad flygning (elektrisk framdrivning med solpaneler, till exempel) blir gränsen den strukturella integriteten hos ljusstrukturen. Se detta svar för ett tillämpat exempel.
Max antal flygplansnummer : För supersoniska flygplan anges gränsen genom en kombination av vingelast och maxhastighet. Ju snabbare flygplanet kan flyga kan den lägre lufttätheten vara. I de flesta fall ges hastighetsgränsen av intagseffektivitet, eftersom intag måste optimeras för sitt flygnummer Mach nummer och termiska gränser på grund av flygplansuppvärmning. Observera att ett snabbt flygplan med lyftreserver kan utföra en upptagning vid höjd och omvandla kinetisk energi till potentiell energi (aka höjd), så den instansära maximala höjden kan vara flera 1000 m över den stationära höjdsgränsen.
Aerodynamisk effektivitet : Det här är den enda faktorn där jag kan ge dig en enkel ekvation, och det bestäms av vingens aerodynamiska kvalitet och dess flygblad. Den gäller för subsonisk flygning där en ökar över en kritisk flygning Mach nummer kommer att minska hissen . Uttrycks som minsta lufttäthet $ \ rho_ {min} $, detta är $$ \ rho_ {min} = \ frac {2 \ cdot m \ cdot g} {(Mach ^ 2 \ cdot c_L) _ {max} \ cdot a ^ 2 \ cdot S} $$
Här hittar vi igen vingeinmatning $ \ frac {m} {S} $ som en faktor, men också den maximala produkten av kvadraten av flygningen Mach nummer $ Ma ^ 2 $ och hisskoefficienten $ c_L $ . $ a $ är ljudets hastighet. Ett bra värde på $ Mach ^ 2 \ cdot c_L $ är 0,4, och det behöver superkritiska flygplåtar uppnås. Använd det här numret för moderna mönster och du får ett ganska noggrant svar om motorns dragkraft är tillräcklig. För äldre mönster är värden mellan 0,3 och 0,35 en bättre passform. Mycket tidiga mönster med dålig aerodynamik som Westland Welkin skulle bara uppnå en $ Mach ^ 2 \ cdot c_L $ under 0,2.
I den mest grundläggande formen är flygplanets maximala höjd punkten där tryckkraften är lika med tryckkraften . Detta jämför den kraft som krävs för att upprätthålla lufthastigheten och höjden till det tryck som är tillgängligt från motorerna. Eftersom luftandningsmotorer tenderar att producera mindre tryck eftersom höjden ökar, innebär detta att den tillgängliga kraften minskar med höjden. Vid ett tillfälle kommer flygplanet att vara det lägsta draget möjligt i nivåflyg och använda alla tillgängliga dragkrafter.
Som casey påpekar kommer det att finnas många andra faktorer, såsom flygplanets förmåga att förbli trycksatt, motorns förmåga att bibehålla en viss trycknivå och atmosfäriska förhållanden.
Men om du letar efter den absoluta maxhöjden kan du nå, men inte nödvändigtvis behålla, det blir mycket mer komplicerat. Detta skulle bestämmas av den maximala mängd energi som ett flygplan kan uppnå, både i höjd och flyghastighet. Ett flygplan kan dyka eller stanna i lägre höjd för att få fart, och sedan klättra för att handla den hastigheten för höjd och nå en högre höjd än den kan behålla (se den här händelsen för ett exempel på ett flygplan som flög till en högre höjd än vad den faktiskt kunde behålla).
Den absoluta maximala höjden ett plan kan nå är endast begränsat av den hiss som den kan producera. Detta kommer att vara en funktion av vingen (och en av våra bosatta ingenjörer kan förklara detta) och luftflödet över vingen. Luftflödet är i sin tur en funktion av din höjd (lufttäthet) och lufthastighet. Flyghastigheten är i sin tur en funktion av din dragkraft, dra, etc. Kort sagt, den hiss du kan producera är beroende av en hel del saker indirekt och detta kommer att definiera den fysiska gränsen för max höjd.
Observera att maxhöjden som definieras av din hiss är maximal kontinuerlig höjd. Om du har momentet tillgängligt kan du använda det för att klättra över denna höjd för korta utflykter, men du skulle inte kunna behålla höjder över denna gräns.
Observera att denna höjd inte är taket för flygplansservicen, vilket kommer att bli lägre på grund av stigningsgränsvärdena (t ex 100 fpm) eller certifieringsproblem (t ex 25 000 fot för tryck / syrebehov).
Läs andra frågor om taggar aircraft-design Kärlek och kompatibilitet Skor Gear 12 Stjärntecken Grunderna