Pourquoi les avions volent-ils si haut ?

La traînée aérodynamique est proportionnelle à la densité de l'air, et cette densité chute rapidement avec l'altitude. À 11 km (36 000 pieds), l'air est environ 30 % aussi dense qu'au niveau de la mer ; à 12 km, environ un quart. Un avion de ligne volant à la même vitesse propre rencontre donc une fraction de la traînée qu'il subirait à basse altitude, et les moteurs peuvent être réduits en conséquence. Les moteurs à réaction préfèrent aussi l'air froid et raréfié : leur poussée diminue avec l'altitude, mais leur consommation de carburant par unité de poussée diminue également, et la turbine fonctionne le plus près de son point de conception à proximité de la tropopause. Cette combinaison explique pourquoi un Boeing 787 ou un Airbus A350 croise généralement entre 11 et 13 km (35 000-43 000 pieds) et pourquoi un vol long-courrier monte par paliers à mesure qu'il brûle du carburant et s'allège.

La vitesse du son diminue avec la température, et à l'altitude de croisière, elle est d'environ 295 m/s (1 062 km/h). Les avions de ligne croisent entre Mach 0,78 et 0,85, juste en dessous du point où les ondes de choc sur l'aile commencent à augmenter fortement la traînée, de sorte que l'air froid détermine à la fois l'altitude efficace et la vitesse pratique.

La plupart des nuages, précipitations et turbulences se trouvent dans la basse troposphère. Croiser au-dessus de 10 km place un appareil au-dessus des sommets de tous les orages sauf les plus hauts, que les pilotes évitent latéralement, et au-dessus d'une grande partie des turbulences générées par le relief et la convection. Les courants-jets, ces rivières d'air rapide près de la tropopause, peuvent être exploités vers l'est pour un vent arrière de 150 à 300 km/h ou évités vers l'ouest, une autre raison pour laquelle les routes et altitudes sont choisies en fonction de la météo du jour. L'altitude élevée facilite aussi la gestion du trafic aérien : une douzaine de niveaux utilisables entre 9 et 13 km, séparés de 300 m (1 000 pieds), permettent aux contrôleurs d'empiler le trafic sur la même route.

Plusieurs limites se resserrent au-dessus d'environ 13 km. La poussée des moteurs continue de chuter avec la densité, donc monter plus haut nécessite un appareil plus léger ou un moteur plus puissant. L'aile a besoin d'une vitesse propre plus élevée pour générer la même portance dans un air plus raréfié, et finalement la vitesse nécessaire pour éviter un décrochage rejoint la vitesse à laquelle les ondes de choc causent des problèmes, ce qu'on appelle le « coin du cercueil ». La cabine doit être pressurisée à l'équivalent de pas plus d'environ 2 400 m (8 000 pieds), et la charge structurelle due à cette différence de pression augmente avec l'altitude. Le Concorde, avec son aile fine et ses turboréacteurs, croisait entre 17 et 18 km (55 000-60 000 pieds), et l'avion de reconnaissance U-2 vole au-dessus de 21 km (70 000 pieds), mais chacun est une conception spécialisée. Pour les appareils qui transportent la majorité des passagers dans le monde, la bande entre 9 et 13 km est celle où carburant, vitesse, météo et structure s'alignent tous.