飛行機の高度制限

機体重量が重すぎると高い高度まで上昇は出来ないのでしょうか？
その理由は上空の温度に関係があると聞いたのですがそれで正解なのでしょうか？ISA(標準大気）も関係してきますか？

No.1 ベストアンサー 回答者： KonnaMonde 回答日時： 2009/02/26 20:14

>温度に関係があると聞いたのですがそれで正解なのでしょうか

直接は、温度でなく、空気の密度です。 　もちろん、空気の密度は温度に関係します。 　上空に行くと温度は下がります。　温度が下がれば密度は増加します。　その意味では、上空の温度の低下は、少しですが、上限を上げる方に働きます。

レシプロ（ピストンエンジン）機の場合は、取り込む空気の量が多いほどエンジンの発生馬力が大きくなります。　空気の密度の低下が上限を決めます。
ジェットエンジンの場合は、エンジンに取り込む空気の量に関係しますが、最終的には、エンジンの部品の耐熱温度により上限が決まります。

>ISA(標準大気）

は、設計の段階で必要となることで、実際の上空の空気の温度、密度は様々です。　標準大気の通りではありません。　そういう意味では、標準大気は直接的には関係はありません。

No.4 回答者： Kon1701 回答日時： 2009/02/28 23:59

実際の旅客機の場合、経済的なことが理由になります。

ジェット旅客機は高度が高い方が(といっても限界はもちろんありますが）燃料消費が少ないのでなるべく高く飛びます。
ですが、上昇するために燃料を消費してしまいます。特に重い時はそうです。このため、国際線で離陸直後で燃料がまだ多くて重い時は高度を押さえ、少し飛んで軽くなってから高度を上げることがあります。

なお、ジェットエンジンは気温が低い方が出力は上がります。アンカレッジを経由していた頃、ここは気温が低いのでエンジンを全開にしなくても離陸できる場合もあったそうです。

No.3 回答者： windsnow 回答日時： 2009/02/26 20:39

ラジコン・模型じゃなくて実機の話ですね？

上空の温度に関係がある、というのは嘘でもないですが
大きな理由でもありません。また、標準大気というのは
あくまで航空機の性能比較上、定められたものであって
例えばクルマの燃費性能比較に○モード燃費とかで比較
しないと、登り坂や下り坂では意味が無いのと一緒です。

乱暴に言うと、ある領域まではエンジンパワーで決定します。
飛行機が上昇するためには揚力が重量を上まわらなければ
いけませんが、「揚力」は空気密度、速度、翼面積、揚力係数の
関数であり、このうち空気密度は高高度ほど少なくなり、
人為的に増やせるのは残りですが、いずれも「抗力」が増加
しますのでこれに打ち勝つにはエンジンパワーが必要です。
むしろ同条件ならば気温は低い方が空気密度は増します。
また、重量が重くなれば当然上昇出来る限界は早くなります。

与圧の無い、ピストンエンジン機ならばこのエンジンパワーの
限界で上昇限度が決まります。ピストンエンジンの出力は空気密度
に大きく影響され、加給しない限り、またそれをしても高度が
上がると実用的な限界に達します。

一方、ガスタービン（ジェット）エンジンの航空機はこの制限はまだ
余裕があるのですが、旅客機では「与圧」ということを行うので
構造強度上の制限がつきます。（与圧航空機の構造の最大負荷はこの
与圧によるもので、そうでないものは主翼付け根の曲げが最大です。）
頑丈に重く作って高高度を飛ぶか、そのためにエンジンパワーを増して
燃費を悪化させるか等というジレンマの妥協点を取っていまの旅客機が
大体、亜音速で１万メートルくらいを飛ぶという形になっています。

これらの制約から、ある程度解放された戦闘機等（乗員は酸素供給、
エンジンが強力で上向きに引っ張り続ける、等）はズーム上昇などの
手法で高度記録を作ったりしています。
また、全く違う発想で無人ソーラー機が高度記録を作ってるのですが、
これは逆に巨大な翼で高高度の薄い大気でも飛べるようにしている上、
空気を必要する内燃機関でなく電気モーターが動力であり、まして人間
が乗るためのものではありませんので上記の制約が無いのです。

No.2 回答者： nora99 回答日時： 2009/02/26 20:35

上空の温度というよりも、上空（その高度）の空気密度にも影響されますね。

その空気密度が飛行機に与える要素は、揚力（と抗力）と、推力です。

ある飛行機で、重量が増えれば、その重量を支えて一定高度で飛ぶ為には、その重量を支える為にプラスα分の揚力が必要になります。
そのプラスαの揚力を得る為には、飛行速度を増やす必要があります。
（また、揚力（と抗力）は、空気密度の関数でもあります。）
その飛行速度を増す為にはエンジンの推力がより多く必要になります。

揚力（と抗力）は、空気密度と飛行速度の関数です。

しかし、ジェットエンジンやレシプロエンジンでは、推力を得る為には燃料の他に空気（酸素）が必要ですが、高高度では空気の量（空気密度）が減り、低高度よりも推力を得難くなります。
（ロケットエンジンでは、燃料の他に空気に相当する酸化剤を一緒に持つので空気の密度に推力は殆ど影響されません）

飛行重量が増えた分の速度で飛行する為に必要な推力が得られなければ、高度を維持出来ません（高度が下がる）
そして高度が下がり推力が増えて、揚力と重量の釣り合った点がその機体重量での最高高度になると思います。

上空に行けば、空気密度が減るので、揚力が減りそれを補う分速度を上げる必要がある。
でも、空気密度が減れば、抗力は少なくなるので、必要な推力は少なくて済みます。
必要な推力は、トータルではあまり変わらない（高度が上がり重力が減れば、その分推力は少なくて済みます）

同じ高度であれば、温度が下がれば空気密度は上がり、温度が上がれば空気密度は低くなります。

標準大気は、あくまで理想時の問題なので、正確には、その場所での空気の密度が効いてくると思います。