旅客機が飛び続けたらどうなるでしょうか?

大気圏に上昇すると、空気は薄くなります。一方で、航空機に対する空気抵抗が大幅に減少するという観点から、大気が薄いことは航空機にとって優れています。しかし、航空機が飛行する高度も人間にとって致命的ですが、これは客室内を加圧することで克服されます。高く飛ぶことには、地球の大気圏の下層で猛威を振るう悪天候や嵐の上を飛行できるという利点もあります。

古い航空機では

またはパイロットへの酸素供給がなければ、航空機はパイロットが呼吸できる地点を超えて飛行することはできませんでした。現在、多くの民間航空機は高度 42,000 フィートで飛行できますが、一部の軍用戦闘機は高度 70,000 フィートに到達できる場合があります。しかし、なぜ民間航空機は 42,000 フィート以上の高度を飛行しないのでしょうか?もし飛行した場合はどうなるでしょうか?航空機がサービスの上限に近づくと何が起こるかは次のとおりです。

民間航空機はどのくらいの高さまで飛行しますか?

現在、ほとんどの民間航空機は高度 35,000 フィートから 42,000 フィートの間で飛行します。マイルで表すと、海抜 10.6 マイルから 8 マイルの間になります。参考までに、米国で最も高い山はアラスカ州のデナリで、現在は連邦政府によりマッキンリー山として再指定されており、標高は20,310フィートです。エベレスト山は世界で一番高い山で、標高は 29,029 フィートです。

古いエアバス A330、A320、ボーイング 777 などの前世代の航空機は、海抜約 8,000 フィートまで加圧されています。ワイドボディの現行世代航空機である A350 とボーイング 787 ドリームライナーは、6,000 フィートまで加圧されています。この増加した機内圧力により、乗客はより快適な乗り心地を得ることができます。

高度 35,000 フィートから 42,000 フィートの間では空気が非常に薄いため、乗客は十分な酸素を吸うことができず、すぐに低酸素症で死亡してしまいます。登山におけるいわゆるデスゾーンは約26,000フィートです。それを超えると、酸素の補給が必要になります。しかし、一部の民間航空機のエンジンが呼吸し、高度 42,000 フィートで動作するのに十分な空気がまだ残っています。しかし、航空機が大気圏をさらに上昇すると、エンジンも枯渇してしまいます。

フライング・ハイ

現代の戦闘機は現代の民間航空機よりも高く飛ぶことができます。たとえば、F-35 ライトニング II 戦闘機の運用上限は 50,000 フィートです。 F-22 ラプターは、アメリカ空軍の制空専用戦闘機であり、就役した最初の第 5 世代戦闘機です。サービス天井は 65,000 フィートを超えており、絶対天井 (到達可能な最高高度) は 70,000 フィートを超えると考えられています。

1950 年代、米国は宇宙への飛行を検討するために、実験用のノースアメリカン X-15 極超音速ロケット飛行機を製造しました。このロケット飛行機は宇宙の果てで飛行し、ニール・アームストロングを含む米国の宇宙飛行士の訓練に役立った。この航空機はマッハ 6.7 という（未だ破られていない）速度記録を樹立しただけでなく、高度 354,000 フィートで飛行しました。宇宙ロケットは地球の大気中をまっすぐに飛行し、脱出速度を達成できます。

サービス上限の例:
北米の X-15 ロケット飛行機:	354,000フィートを達成
F-22 ラプター戦闘機:	65,000フィート（70,000フィート以上と想定）
民間航空機:	35,000 ～ 42,000 フィート

しかし、通常の旅客機は戦闘機やロケット機ではなく、高度 40,000 フィートから 45,000 フィートで飛行することができます。一部の民間航空機では、航空機の重量と環境条件によっては、これよりも低くなる場合があります。民間ジェット機が高度を上げすぎると、「コフィンコーナー」と呼ばれる地点に到達します。コフィンコーナーは、航空機の低速失速と高速ビュッフェが交わる地点です。この時点で航空機は高度を維持できなくなり、降下を開始します。航空機の最大高度は 3 つの要素によって決まります。

エンジン推力

3 つの制限要因のうちの 1 つは、航空機のエンジン推力です。ある時点で、高高度の空気が非常に薄くなり、エンジンが航空機の上昇を維持するのに十分な推力を生成するために十分な空気がエンジンを通過できなくなります。エンジンは高度で制限されており、毎分 300 フィート以上の上昇速度を達成できなくなります。

大気の高度と密度も温度の影響を受けます。暑い日、上空では空気が薄くなります。空気が加熱されると、空気は薄くなります。そのため、寒い日には航空機の最大高度が高くなります。

ボーイング 787 ドリームライナーのバリエーションのサービス上限
ボーイング 787-8	43,100フィート
ボーイング 787-9	43,100フィート
ボーイング 787-10	41,100フィート

ロールス・ロイス トレント 1000 エンジンは、ボーイング 787 ドリームライナーに動力を供給する 2 つのエンジンのうちの 1 つであり、通常の運行中に最大高度 45,000 フィートで動作するように設計されています。一方、ボーイング 787-8 および 787-9 のサービス上限は 43,100 フィートですが、より大型のボーイング 787-10 型機のサービス上限は 41,100 フィートとわずかに低くなります。

機内圧力差

もう 1 つの制限要因は、客室内の差圧です。前述したように、民間航空機は 6,000 ～ 8,000 フィートまで加圧されています。これを達成するために、圧縮された加熱空気がエンジンによって航空機の客室内に供給されます。空気を客室内に強制的に送り込むことで気圧が上昇し、乗客が正常に呼吸できるようになります。

これにより、機内と機外の間に圧力差が生じます。胴体の内部と外部の最大圧力差は航空機によって異なりますが、一般的な値の範囲は 7.8 psi ～ 9.4 psi です。これは通常、航空機が高度約 43,000 フィートまで上昇したときに到達する限界です。そのため、たとえ航空機のエンジンがより高く上昇するために必要な推力を供給できたとしても、航空機は最終的に最大圧力差を超え、その結果、胴体の構造的破損が発生します。

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近い

エアバス A320 の最大可能差圧は 9 psi、最大負差圧は -1 psi です。安全リリーフバルブの設定は 8.6 psi で、この時点で安全リリーフバルブが作動し始めます。これは、潜水艦が衝突または崩壊の深さで直面する状況のほぼ逆です。潜水艦が降下を続けると、外部の水圧が非常に大きくなり、潜水艦は爆沈してしまいます。

コフィンコーナーまたは空気力学的姿勢

によるとスカイバリー、コフィン コーナー (または Q コーナー) は、高発生失速によって定義される飛行エンベロープの境界が、臨界マッハ数によって定義される境界と交差する点を指します。別の言い方をすれば、高速ではあるが亜音速の固定翼航空機の失速速度が臨界マッハ数に近づき、航空機を安定した飛行を維持することが非常に困難になるときです。

航空機が棺の隅に近づくと、航空機は速度が変化するといずれかの限界を超える高度に達します。最も重大なケースでは、機体を旋回させるだけで両方の制限を同時に超える可能性があります。この制限で動作している場合、乱気流に遭遇した場合でも対気速度が「制限を超えて」変化する可能性があります。コフィンコーナーでは、航空機は加速したり、減速したり、上昇したりすることができません。パイロットが航空機を安全に飛行し続けるための唯一の方法は、高度を下げることです。

航空機の高度を制限する 3 つの要因:

• エンジン推力の低下
• 機内圧力差
• コフィンコーナー (または空力高度または Q コーナー)

言い換えれば、これは、速度が上昇すると翼上で流れの剥離が発生し、航空機が揚力を失う領域または速度です。あるいは、速度が低下すると航空機が失速し、高度が低下します。いずれにせよ、航空機は空から落下し、パイロットは墜落した航空機を最小限に制御できるか、まったく制御できなくなります。通常、航空機の最大空力高度を決定するために 1.3g のマージンが使用されます。

ピナクル航空3701便事件

民間航空機が最高高度を超えて空から落下するのは、単なる理論上の話ではありません。 2004年、ピナクル航空3701便が高度41,000フィートまで飛行した後、空から転落した後に起こった。 3701便はボンバルディアCRJ200型機で、乗客はおらず、パイロット2名のみが搭乗していた。これはプロフェッショナリズムの欠如の一例であり、手順に従っていた場合、または航空機の安全機能が無効にされていなかった場合でも、起こらなかったはずです。

3701便の飛行計画では、高度約33,000フィートを飛行することが示されていた。しかし、ボンバルディア CRJ200 のパイロットは、ボンバルディア CRJ シリーズの最高運用高度である 41,000 フィートまで上昇する許可を要求しました。航空交通管制は許可を与えたが、その理由を尋ねた。船長は「乗客がいないので、ちょっと楽しんでここに来ることにしました。」と答えました。パイロットたちは CRJ の限界をテストしようとしました。

航空機の失速防止システムは何度も作動し、パイロットは速度を上げて失速を防ぐはずだった航空機の自動機首降下機能を繰り返し無効にしました。 NTSB書きました「…両方のエンジンがパイロットによる空力失速の後に炎上し、再始動できなくなった。」パイロットらはエンジンが炎上した機体を回収し、再始動を試みるために急降下した。彼らは失敗し、航空機は墜落し、両方のパイロットが死亡した。