Aus welchem Grund fliegen Langstreckenflugzeuge in ca. 11.000 Metern Höhe und nicht tiefer oder höher?
Weil bis dort die Luft kälter wird. Steigt man noch höher, bleibt sie in etwa gleich kalt. Diese Atmosphärenschicht heißt Tropopause
.
Höher zu fliegen hilft, weil man bei gleichem Widerstand schneller wird, denn die Luftdichte nimmt mit der Höhe ab. Zugleich bekommen aber auch die Triebwerke weniger Luft, produzieren also weniger Schub. In etwa 11.000 m paßt der verbleibende Triebwerksschub gut zum Bedarf, wenn die Triebwerke für den Start dimensioniert sind. Ein weiterer Vorteil ist die kältere Luft, die den Wirkungsgrad der Triebwerke
erhöht. Da dieser hilfreiche Temperaturabfall aufhört, sobald das Flugzeug über die Tropopause steigt, sind die Vorteile des Höhenfluges unterhalb der Tropopause am größten.
Mit zunehmender Flughöhe benötigt das Flugzeug:
Größere Triebwerke, um den erforderlichen Schub in dünnerer Luft zu erzeugen
Größere Flügel, um den nötigen Auftrieb zu erzeugen
Mit den Tragflächen wächst auch die Größe der Leitwerke; dieser Effekt allein wiegt wahrscheinlich mehr als die Vergrößerung der Rumpfstruktur für den erhöhten Kabinendruck. Wenn man höher fliegt, werden fast alle Teile größer und schwerer.
Bei Mach 0,85 liegt die Grenze für einen effizienten Flug; Unterschall-Verkehrsflugzeuge können die geringere Dichte nicht beliebig durch schnelleres Fliegen ausgleichen. Die einzige Möglichkeit, höhere Flughöhen zu erreichen, besteht darin, größere Tragflächen und Leitwerke vorzusehen.
Ein weiterer Faktor ist aus der Breguet'schen Reichweitenformel
zu erkennen: Strahlflugzeuge haben ihren optimalen Auftriebsbeiwert im Reiseflug bei einem Wert von
c
A
=
0.6⋅
c
W0
⋅π⋅Λ⋅ϵ
−
−
−
−
−
−
−
−
−
−
−
−
−
−
√
unter der Annahme, dass der Schub von Triebwerken mit hohem Nebenstromverhältnis proportional zum Kehrwert aus der Wurzel der Fluggeschwindigkeit variiert, was eine vernünftige Annahme ist. Das bedeutet, dass das Verkehrsflugzeug nicht höher fliegen sollte, da es dann einen höheren Auftriebsbeiwert braucht: Dies würde die Effizienz verringern.
Mit der Flügelgröße und den Triebwerken, die für einen Flug mit Mach 0,82 bis 0,85 in der Tropopause benötigt werden, ist die Startstrecke recht vernünftig und entspricht in etwa den Flughäfen, die von der NATO während des Kalten Krieges angelegt wurden. Ein noch höherer Flug in die Stratosphäre würde die Masse des Flugzeugs aufgrund größerer Triebwerke und Tragflächen erhöhen, aber nicht die Effizienzgewinne mit sich bringen, die sich aus einer größeren Reiseflughöhe in der Troposphäre ergeben, wo die Temperatur mit der Höhe abnimmt.
Umgekehrt würde die Wahl einer niedrigeren Reiseflughöhe eine Verkleinerung von Flügeln und Triebwerken ermöglichen, was jedoch zu folgenden Konsequenzen führen würde:
Höhere Start- und Landegeschwindigkeiten und kritische Geschwindigkeiten während des Starts aufgrund des kleineren Flügels,
Geringere Startbeschleunigung aufgrund der kleineren Triebwerke,
Bei Zweimots: Nicht genügend Schub während des Starts, wenn ein Triebwerk ausfällt,
Geringere Steiggeschwindigkeit, so dass es länger dauern würde, die Reiseflughöhe zu erreichen und
Nicht vollständige Ausnutzung der kalten Luft in der Tropopause.
Die Auslegung auf eine geringere Reiseflughöhe würde zu viel längeren Start- und Landebahnen und einem insgesamt weniger effizienten Flug führen.
Die Auslegung für die Reiseflughöhe in der Tropopause ist für die Konstrukteure von Verkehrsflugzeugen einfach der Optimalpunkt, bei dem alle Bedingungen gut zusammenpassen und ein ausgewogenes Ergebnis liefern.