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¿Por qué no puede aviones supersónicos "sólo volar más alto" para ir más rápido, mientras que el mantenimiento costo?

Primer post de este sitio, y tengo en la más alta de antecedentes de la escuela de física - realmente agradezco cualquier respuesta, pero puede no ser capaz de seguir si usted está demasiado avanzado.

Supongo que esto va para regular los planos demasiado, pero estoy especialmente interesado en los aviones supersónicos.

He leído algunos informes en las noticias acerca de las diversas personas que trabajan en comercial supersónico de viaje, pero había un montón de comentarios que se adjuntan a estos posts de noticias listado de lo que esencialmente eran las limitaciones de la física que iba a hacer ese tipo de viajes severamente costo ineficaz:

  1. "fricción de la piel", causando el alto calor y el estrés, lo que conduce a diferentes metaled (por lo tanto más caro investigado/fabrica) y más pesado (por tanto, menos eficiente) de los aviones.
  2. el aumento de arrastre, que requieren más combustible a superar.
  3. sonic boom.

Voy a dejar en paz los estampidos sónicos - entiendo tan bien como yo puedo ¿por qué esto podría ser difícil de solucionar, y por qué varios países han hecho de su generación sobre la tierra ilegal.

Los otros dos no lo entiendo. Después de pasar algún tiempo en la wikipedia que esta noche, si tengo ese derecho, parece que, manteniendo la forma del avión constante, la fricción de la piel, elevación, y la resistencia son iguales a un escalar veces la densidad de veces la velocidad al cuadrado.

La densidad disminuye a medida que la altitud aumenta, lo que parece significar para mí que usted podría mantener arrastre, ascensor, y la fricción de la piel constante al aumentar la velocidad por el mero hecho de aumentar la altitud.

Supongo que esto es correcto, así que supuse que el "millaje" problema tenía que ver con la necesidad de quemar mucho más gas para lograr el empuje necesario para el mayor velocidad. Y, sin embargo, el artículo de la wikipedia en los motores a reacción de los estados que el concorde era en realidad más eficiente del combustible que algunos convencionales subsónico motores turbofan utilizado en el 747.

Teniendo en cuenta todo esto, ¿qué me pongo mal? ¿Por qué no puede aviones supersónicos acaba de volar más alto, a ser tan rentable o más que los convencionales subsónico aviones comerciales, utilizando los mismos materiales de construcción? Relatedly, ¿por qué los actuales aviones tienen servicio de techos y max velocidades (suponiendo que no es sólo acerca de la de alta tensión de ruptura a través de la barrera del sonido)?

Gracias!

23voto

dAnjou Puntos 203

Hay un montón de preguntas que trataré de responder, espero que a todos ellos...

Comodidades

Es difícil "sólo volar más alto" cuando se considere la posibilidad de aviones de pasajeros. Supersónico avión militar como el SR-71 no volar ridículamente alto. Es techo de servicio es de 85.000 pies! Pero, tiene la ventaja de que no necesita mantener a nadie, pero el piloto cómodo. La cuestión se ocupa de la presurización. Conforme aumenta la altitud, la aeronave debe también ser capaz de soportar una mayor presión diferencial si la cabina se mantiene en una cómoda presión. La mayoría de muy alta altitud de los aviones militares no presurizar la cabina; por el contrario, el piloto lleva un traje de presión. Imagínese si usted tenía que adaptarse a un vuelo para visitar a los parientes!

No es que nosotros no podemos construir un avión que puede soportar la diferencia de presión, pero al hacerlo se requeriría muy pesados o materiales muy caros. El primero hace que sea mucho más difícil para volar, mientras que el segundo hace que no sea muy viable comercialmente.

El Aumento De Arrastre

Hay una razón que va más allá de la velocidad del sonido se le llama "romper la barrera del sonido." No hay un número mágico llamado el Arrastre de la Divergencia de Número de Mach (número de Mach es la fracción de la velocidad del sonido en el cual usted está de viaje). Más allá de este número, el arrastre aumenta enormemente hasta que se supersónico, momento en el que disminuye muy rápidamente (pero mayor que el subsónico).

En ella se encuentra uno de los mayores problemas. Se necesita muy potentes motores de romper la barrera, pero no deben ser muy poderoso en el otro lado de la misma. Así es ineficiente desde un peso/costo punto de vista porque los motores son tan sobre-ingeniería en condiciones de crucero (nota: esto no implica que los motores son ineficientes en su propio).

El Aumento De Calor

No se puede negar que caliente. Es estratificada que el SR-71 llegaría tan caliente y el metal se expanda tanto, que cuando era totalmente alimentado en la pista, el combustible que se escapaba de las lagunas de la piel. El avión tendría que despegar, volar a velocidad supersónica para calentar la piel lo suficiente como para cerrar las brechas en el metal, luego de ser llenado el aire de nuevo, ya que utiliza todo. Entonces se podría ir sobre su misión.

En los números de Mach de un avión comercial, la calefacción no iba a ser tan extrema. Pero requeriría una cuidadosa ingeniería, que hace que sea más caro.

Así que ¿por qué no puede simplemente volar más alto?

Ignorando el derecho internacional por un momento, hay varias razones por las que vuelan más alto no es tan viable:

  1. De presión de la cabina problemas
  2. Procedimientos de emergencia: supongamos por un momento que podría presurizar la cabina. En el caso de que pierda presión, ¿qué hacemos? El procedimiento normal sería descender a una altitud de seguridad, que tarda bastante más de 60.000 pies de 30.000 pies.
  3. El arrastre es proporcional a la densidad, pero así es el ascensor. Esto significa que para volar más alto, un avión de las necesidades más grandes alas. Pero la más grande de las alas significan más arrastre, por lo que se obtiene en un ciclo vicioso. Hay un punto ideal que puede ser optimizado para un equilibrio ideal, pero eso significa que "más" no puede ser una buena opción.

Los techos y las Velocidades de

Este no tiene que ver exclusivamente con cuestiones legales, pero que es parte de él. Un techo de servicio se define como la máxima altitud a la que la aeronave puede operar y mantener una determinada velocidad de subida. Esto es totalmente impuestas por el diseño de la aeronave (leyes pueden requerir un techo mínimo, pero no un máximo... aunque pueden restringir que un avión que vuela a la máxima).

Del mismo modo, un techo absoluto es la altitud a la que el avión puede mantener el nivel de vuelo en el máximo empuje. Naturalmente, como el avión, el combustible se quema y se vuelve más claro, se necesita menos levantar a permanecer en la misma altitud. Pero la fuerza de elevación se basa únicamente en la geometría y la velocidad, así que el valor real de levantamiento de superar lo que se necesita y el avión va a subir. Como se sube, el aire de la densidad de las gotas y lo hace ascensor. Esto significa que a medida que el avión vuele, del techo absoluto en realidad aumenta.

Ahora, para la velocidad de... de los aviones Comerciales vuelan tan cerca como sea posible para el Arrastre de la Divergencia del Número de Mach, porque es el más económico punto de volar. El avión va tan rápido como puede ir sin el coeficiente de arrastre aumentando enormemente. Esto es por lo general alrededor de Mach 0.8. Pero se puede, y a menudo lo hacen, ir más rápido que eso.

No es inusual para un avión que se retrasa la toma fuera de la tierra en el tiempo o incluso a principios. Esto sucede debido a que todavía se puede ir más rápido de lo que normalmente funcionan (no significativamente por supuesto, tal vez Mach 0.83-0.85). Esto puede costar un poco más de combustible debido a que el coeficiente de arrastre es probable que el aumento a medida que se acerca el Mach 1, pero un retraso en el avión es más caro para la aerolínea que el combustible utilizado (tal vez no en directo dólares, pero en PR, reputación, etc.)

3voto

akhmeteli Puntos 10362

Que yo recuerde, los vuelos a altitudes mayores, también son problemáticas ya que son perjudiciales para la capa de ozono: una cosa es cuando un número limitado de militar de aviones que vuelan a gran altitud, pero los miles de aviones comerciales, tendría un efecto mucho mayor.

EDITAR(07/06/2013): algunas evaluaciones de clima efecto de la velocidad supersónica de tránsito aéreo: http://www.atmos-chem-phys.net/7/5129/2007/acp-7-5129-2007.pdf . Yo prefiero no hacer un resumen de los autores de largas conclusiones aquí, como no quiero simplificar en exceso el complejo problema.

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