Správné rozložení hmotnosti hraje velkou a důležitou roli v celkovém výkonu letadla. Nesprávné zatížení letadla ovlivní jeho spotřebu paliva, rychlost, rychlost stoupání, ovladatelnost, strop a dokonce i integritu konstrukce.
Při stavbě vlastního letadla je určení jeho hmotnosti a vyvážení před prvním letem rozhodující pro vaši bezpečnost – a bezpečnost těch, kteří s vámi poletí. Dejte si záležet a věnujte veškerý potřebný čas určení přesných čísel hmotnosti a vyvážení.
Stejně jako sériová letadla musí mít i domácí letadla při certifikaci přesné údaje o hmotnosti a vyvážení, a až bude FAA zkoumat váš dokončený projekt, inspektor bude chtít vidět vaše dokumenty o hmotnosti a vyvážení.
Většina výrobců stavebnic a konstruktérů letadel nabízí určitou pomoc v oblasti hmotnosti a vyvážení tím, že poskytne maximální celkovou hmotnost letadla, akrobatickou celkovou hmotnost (pokud je to použitelné), maximální hmotnost zavazadel pro každý prostor, limity těžiště (CG) na přídi a zádi, akrobatický rozsah CG a vztažný bod. Za zvážení a výpočet těchto čísel pro váš letoun zodpovídáte sami.
Někteří konstruktéři také poskytují tabulky se vzorovými čísly hmotnosti a vyvážení, které ukazují typické situace zatížení. Ty slouží pouze pro vaši kontrolu. Nepoužívejte je pro své letadlo, protože čísla hmotnosti a vyvážení jsou pro každé letadlo jiná, i když se jedná o stejnou značku a model.
Jak hluboko musíte do hmotnosti a vyvážení proniknout? Dostatečně hluboko, abyste mohli sestavit tabulky s údaji o hmotnosti a vyvážení, které potřebujete k získání osvědčení o letové způsobilosti – a ke správnému zatížení letadla. Podle federálního leteckého předpisu 91.7 – Letová způsobilost civilních letadel – jste jako velitel letadla zodpovědní za určení, zda je vaše letadlo bezpečné pro let.
Součástí vašeho určení vhodnosti letadla pro bezpečný let je ujištění se, že je letadlo v mezích své hmotnosti a vyvážení a že nepřekračuje svou maximální celkovou hmotnost. To nemůžete určit bez výpočtu čísel hmotnosti a vyvážení letadla. Hmotnost a vyvážení vašeho letadla také hraje velkou roli v tom, jak bezpečně letí.
Výkonnost & Bezpečnost
Jaký vliv může mít hmotnost a vyvážení na letadlo? Pokud je letadlo těžší než jeho maximální celková hmotnost, jeho…
– vzletová dráha bude delší, protože vzletová rychlost bude vyšší.
– rychlost a úhel stoupání se sníží.
– zatížení při akrobatickém letu bude nadměrné.
– cestovní rychlost se sníží.
– dolet se zkrátí.
– sníží se provozní strop.
– sníží se ovladatelnost.
– prodlouží se náklon při přistání, protože přistávací rychlost bude vyšší.
Vyvážení letounu, tedy kde se nachází jeho těžiště (CG), je pro bezpečnost letu snad ještě důležitější, protože poloha CG ovlivňuje stabilitu letounu. Těžiště letadla je bod, ve kterém by letadlo bylo vyváženo, kdyby bylo zavěšeno na laně, a je to bod, ve kterém se předpokládá, že je soustředěna celková hmotnost letadla (viz obrázek 1).
Obrázek 1
Pro bezpečnost musí být těžiště v určitých mezích, které určí konstruktér. Důležité je jak příčné, tak podélné vyvážení, ale podélné vyvážení – kde je CG mezi přídí a ocasem – je hlavním zájmem.
Pokud je CG mezi přípustnými mezemi, letoun bude mít odpovídající stabilitu a řízení. Jak se CG pohybuje směrem ke své záďové hranici, řídicí tlaky výškovky se snižují, což usnadňuje otáčení do vyššího než požadovaného úhlu náběhu, což může vést k přetažení.
Je-li CG na své záďové hranici nebo před ní, výškovka by měla mít autoritu pro návrat z přetažení. Pokud je CG za svou záďovou hranicí, výškovka pravděpodobně nebude mít autoritu příď-dolů, aby se dostala z přetažení. Pokud by se letadlo dostalo do vývrtky s CG na zádi, mohlo by se dostat do ploché vývrtky, ze které by bylo zotavení nepravděpodobné.
Jakmile se CG posune směrem ke své přední hranici, ovládací tlaky výškovky směrem nahoru budou při působení sil směrem nahoru větší a pro udržení vodorovného letu budete potřebovat více výškovky směrem nahoru. Vzhledem k tomu, že s pohybem CG dopředu klesá síla ovládání výškovky směrem nahoru, může se stát, že pokud je CG před svou přední hranicí, výškovka nebude mít dostatečnou sílu pro otáčení směrem nahoru pro vzlet nebo pro přistání.
Váha a vyvážení jsou pro bezpečnost letu natolik zásadní, že FAA Aviation Safety Program vytvořil dokument (FAA-P-8740-5), který se zabývá výhradně touto problematikou a který nabízí následující:
„Výkony a jízdní vlastnosti letadla jsou ovlivněny limity celkové hmotnosti a těžiště. Pokud by každý pilot tuto skutečnost pochopil a respektoval, mohlo by dojít k výraznému snížení počtu nehod ve všeobecném letectví. Přetížené nebo nesprávně vyvážené letadlo bude k udržení letu vyžadovat větší výkon a větší spotřebu paliva a stabilita a ovladatelnost budou vážně ovlivněny. Nedostatečné pochopení vlivu hmotnosti a vyvážení na výkon letadla, zejména v kombinaci s takovými faktory snižujícími výkon, jako je vysoká nadmořská výška, námraza nebo led na křídlech, nízký výkon motoru, těžké nebo nekoordinované manévry a nouzové situace, je hlavním faktorem mnoha nehod.“
Výpočet hmotnosti &Vyvážení
Nejlepším přirovnáním hmotnosti a vyvážení je páka a opěrný bod (představte si teeter-totter). Pokud je páka dokonale vyvážená na opěrném bodě, bude absolutně vodorovná. Přidáním jakéhokoli závaží na páku se rovnováha naruší a to, jak velký vliv má závaží, závisí na jeho umístění na páce. Čím větší je vzdálenost od opěrného bodu, tím větší je vliv.
Chcete-li obnovit rovnováhu páky, musíte přidat nějaké závaží na druhou stranu opěrného bodu (viz obrázek 2). Vzdálenost závaží od opěrného bodu je rameno, a když závaží vynásobíte ramenem, získáte moment závaží, neboli jak velkou silou působí (více o tom později).
Abyste se ujistili, že je vaše letadlo v rovnováze – že jeho CG je v mezích – spočítáte před letem jeho hmotnost a vyvážení pro různé konfigurace, abyste určili polohu CG, což je matematický důkaz, že je vaše letadlo správně zatíženo. Protože letadlo stavíte, budete chtít vypočítat několik podmínek, které vám umožní další výpočet určitých zatížení.
Předložené výpočty hmotnosti a vyvážení (tabulka 1) jsou pro typický letoun RV-8 a základní mantra pro všechny výpočty hmotnosti a vyvážení zní: hmotnost násobená ramenem se rovná momentu. Do políček vyplňte hmotnosti paliva, zavazadel a osob podle potřeby a pak je vynásobte ramenem, abyste získali moment každé položky. (Hmotnost prázdného letadla, rameno a moment jsou konstantní a určíte je při vážení domácího letadla, které probereme příště.)
Pro určení polohy těžiště obytného vozu sečtěte součty sloupců hmotnosti a momentu. Potom vydělte celkový moment (141 827,74) celkovou hmotností (1 691) a získáte polohu CG (141 827,74/1 691=83,87).
Rozsah CG RV-8 je od 78,70 do 86,82 palců za základnou a 83,87 spadá do předepsané obálky. Maximální celková hmotnost RV je 1 800 liber, takže 1 691 liber je v této obálce. Z těchto výpočtů jsme matematicky doložili naše údaje o hmotnosti a vyvážení.
Poloha CG při vzletu nemusí být stejná jako při přistání, protože spálené palivo mění hmotnost na stanovišti palivových nádrží. U některých letadel se CG při spotřebě paliva posouvá směrem dozadu, a pokud nejsou ostatní závaží v letadle správně zatížena, může být CG v době přistání na své zadní hranici nebo za ní.
Pomocí několika jednoduchých výpočtů můžete určit různé scénáře zatížení vašeho letadla. Budete chtít vypočítat vzorová zatížení, která vedou k těmto polohám CG:
– Zatížení CG při prázdné hmotnosti
– Typické zatížení s plným palivem
– Typické zatížení s minimem paliva
– Zatížení CG nejvíce vpředu
– Zatížení CG nejvíce vzadu
– Maximální zatížení s plným palivem
– Maximální zatížení po letu s minimem paliva
V závislosti na vašem letadle, můžete přidat další scénáře. Například pokud je váš letoun určen pro akrobacii, budete chtít vypočítat zatížení, jehož výsledkem je umístění CG vhodné pro akrobacii. V obou případech vypočtete CG prázdného letounu jednou – pokud nepřidáte, neodečtete nebo nezměníte jeho pevnou výbavu, a pak ji musíte vypočítat znovu.
Vážení letounu
Chcete-li určit prázdnou hmotnost letounu a jeho těžiště prázdné hmotnosti (EWCG), musíte jej zvážit. A abyste mohli letadlo zvážit, musíte si pořídit vhodné váhy. Někteří stavitelé používají koupelnové váhy, ale vzhledem k důležitosti přesných informací o hmotnosti a vyvážení pro bezpečnost každého letu, který s letadlem uskutečníte, si vypůjčte nebo pronajměte plošinové váhy, které byly kalibrovány na přesnost. (Bezpečnost vaše i vašich cestujících jistě stojí za poplatek za pronájem.)
Typická váha používaná pro letadla. Pokud jsou váhy na kolečkách, ujistěte se, že jsou pevně zaklíněné, aby se nepohybovaly, když na ně letadlo přetočíte.
V hangáru, kde na letadlo nemůže foukat vítr a způsobovat kolísání hmotnosti, zvažte letadlo v prázdném stavu. Obecně se „prázdnou hmotností“ rozumí hmotnost draku, motorů, veškerého trvale instalovaného (pevného) vybavení, nepoužitelného (zbytkového) paliva, neodčerpatelného oleje, hydraulické kapaliny a pevné zátěže.
Abyste měli přehled o tom, jaké „pevné“ vybavení jste zahrnuli do prázdné hmotnosti, od motoru a vrtule až po kalhoty kol, vytvořte si seznam vybavení. Letadlo byste měli zvážit v konfiguraci připravené k letu, což znamená, že všechny kryty, dveře, střechy atd. jsou v letové poloze.
Před položením letadla na váhu sestavte veškeré vybavení, které budete potřebovat. To zahrnuje klíny, zvedáky, nivelační zařízení, olovnice, křídové čáry, měřicí pásky atd. V případě potřeby sestavte rampy, které vám umožní najet s letadlem na váhy. Pokud je vaše letadlo ocasní, pořiďte si stojan kompatibilní s ocasním kolem, který udrží ocas letadla ve vodorovné letové poloze.
Při výběru hangáru, ve kterém budete letadlo vážit, aby bylo mimo dosah větru, který může způsobit ne zcela dokonalou přesnost, se ujistěte, že hangár má hladkou podlahu, protože na ní budete dělat křídové čáry. Pokud jsou váhy na kolečkách (to je typické), ujistěte se, že jsou pevně zaklíněné, aby se nepohybovaly, když na ně letadlo najedete. Když je letadlo na vahách, zaklesněte jeho kola; nepoužívejte parkovací brzdu, protože ta přináší chyby. Před vážením letadla se ujistěte, že jste zvážili klíny.
Při vážení se ujistěte, že je letadlo ve vodorovné letové poloze, aby všechny součásti byly ve správné vzdálenosti od vztažné plochy, což vede k získání nejpřesnějších informací. Použijte postup vyrovnání doporučený konstruktérem. Poté zaznamenejte hmotnosti indikované třemi váhami (příďové nebo ocasní kolo, levé hlavní kolo a pravé hlavní kolo) – a poté odečtěte hmotnost příslušných klínových kol.
Po zvážení letoun z vah nesundávejte – potřebujete změřit přesnou polohu některých klíčových součástí. Nejjednodušší a nejpřesnější způsob, jak toho dosáhnout, je použít olovnici a křídovou čáru. Na podlaze vyznačte křídou čáru, která je rovnoběžná s osou letadla. Pomocí olovnice přeneste polohu referenčního bodu a ostatních součástí na křídovou čáru. Poté změřte vzdálenost součástí od vztažné čáry. Konstruktér by měl zahrnout seznam letadlových celků, přičemž tento seznam obvykle zahrnuje sedadla, palivové nádrže, zavazadlové prostory a hlavní a příďové/ocasní kolo.
Dobrým způsobem, jak se ujistit, že jste zaznamenali všechny požadované hmotnosti a rozměry, je vytvořit formulář, jako je tabulka 1 nebo 2. Po vyplnění požadovaných hmotností a/nebo čísel ramen jste s vážením a měřením hotovi. Nyní je čas na matematické výpočty. (Chcete-li si život ještě více usnadnit, vytvořte tabulky pomocí tabulkového programu, například Microsoft Excel, aby matematiku provedl za vás. Jako další výhodu můžete tabulku použít k výpočtu hmotnosti a vyvážení letadla navždy. Jediné, co musíte udělat, je vložit čísla pro proměnné hmotnosti, jako jsou cestující a zavazadla.“
Matematika hmotnosti a vyvážení není těžká, pokud si zapamatujete mantru W&B: hmotnost krát rameno rovná se moment. V tabulce 2 jsou použita hypotetická čísla pro RV-8 a po výpočtu momentu pro každé kolo sečtete sloupce hmotnosti a momentu. Chcete-li zjistit těžiště prázdné hmotnosti, obraťte mantru W&B: vydělte celkový moment celkovou hmotností. Pokud to provedete pro čísla v tabulce 2, zjistíte, že EWCG RV-8 je 76,26 palce od referenční základny (81 525,64/1 069=76,26).
Můžete si všimnout, že EWCG spadá mimo stanovenou obálku CG RV-8 (78,70 až 86,82 palce za referenční základnou), ale to nevadí, protože RV nebude létat bez pilota, paliva, oleje atd. Hmotnosti těchto základních komponentů přivedou CG dovnitř obálky.
Balast
Ve většině případů, pokud postavíte letadlo podle specifikací konstruktéra a nepřidáte mnoho těžkého vybavení, by CG vašeho letadla mělo spadat do předepsané obálky. Pokud však provedete nějaké změny nebo jste větší či menší než průměrný člověk, možná budete muset přidat nějaký balast, abyste zajistili, že CG zůstane bezpečně v obálce.
Balast neznamená vždy trvalé přidání mrtvé, bezcenné hmotnosti do vašeho letadla. Zkuste přemístit některé těžké součásti, například baterii. Pokud je například váš letoun příliš těžký na příď a baterie je pod kapotáží, přesuňte baterii na záď. Jak daleko? V příručce Aircraft Weight and Balance Handbook, FAA-H-8083-1, jsou uvedeny potřebné vzorce, kterými vás provede.
V závislosti na vašem letadle můžete v některých podmínkách zatížení potřebovat dočasnou zátěž, abyste přesunuli CG tam, kam patří (dovnitř obálky). Nejlepším řešením je přidat nebo ubrat zátěž v zavazadlovém prostoru nebo změnit polohu sedadel cestujících s různou hmotností (pokud je to možné).
Přesné zvážení, změření a výpočet hmotnosti a vyvážení vašeho domácího letadla je prvním krokem k zajištění bezpečného letu, ať už se jedná o první zkušební let nebo jiný. Vypočítejte různé podmínky zatížení, se kterými se můžete u svého letadla setkat, a připravte si je pro inspektora FAA, až bude provádět kontrolu vašeho letadla.
Pamatujte, že dokumentace o hmotnosti a vyvážení je součástí dokumentace, která musí být vždy na palubě. Měla by v ní být uvedena hmotnost prázdného letadla, CG prázdného letadla, mezní hodnoty nejvíce vpředu a nejvíce vzadu a vzorové zatížení. (Výrobce nebo konstruktér stavebnice poskytne limity CG vpředu a vzadu a maximální celkovou hmotnost.)
Správné zatížení letadla je na vás a je naprosto nezbytné pro bezpečný provoz. Pokud si nejste jisti, zda je CG v obálce bezpečnosti, věnujte čas výpočtu a ověření její polohy.
Reference & Termíny
Stejně jako ostatní aspekty letectví má i hmotnost a vyvážení svůj vlastní soubor termínů a níže jsou uvedeny ty nejběžnější. Definice pocházejí z nedávno aktualizované příručky FAA Aircraft Weight and Balance Handbook, FAA-H-8083-1.
V osmi dobře ilustrovaných kapitolách se v příručce dozvíte téměř vše, co piloti, technici údržby – a domácí stavitelé – potřebují vědět o hmotnosti a vyvážení, od teorie a dokumentace až po vynikající popis, jak na hmotnost a zjištění hmotnosti a vyvážení letadla. Je k dostání ve většině obchodů s potřebami pro piloty a u zásilkových společností.
Dalšími dobrými odkazy jsou brožura FAA Aviation Safety Program, „Weight and Balance“, FAA-P-8740-5, poradní oběžník FAA 43.13-1B, Acceptable Methods, Techniques, and Practices-Aircraft Inspection and Repair, a příručka FAA Airframe and Powerplant Mechanics General Handbook, AC 65-9A. Tyto dokumenty jsou k dispozici ve vládní tiskárně a ve vládních knihkupectvích a všechny dokumenty a předpisy FAA jsou k dispozici na CD-ROM u společnosti Summit Aviation na adrese www.summitaviation.com nebo na telefonním čísle 800/328-6280.
Ramenná vzdálenost – nazývaná také Momentové rameno a obvykle měřená v palcích – je vodorovná vzdálenost od referenčního bodu k nějakému předmětu, například k sedadlům předních cestujících nebo k zavazadlovému prostoru na zádi. Pokud je rameno měřeno za vztažnou plochou, má před číslem znaménko plus (+) a všechna čísla budou kladná, pokud je vztažná plocha na přídi letounu. Pokud je vztažným bodem náběžná hrana křídla, je před měřením ramene před tímto bodem uvedeno znaménko minus (-).
Těžiště (CG) – bod, ve kterém by letadlo bylo vyváženo, kdyby bylo v tomto bodě zavěšeno. Je to střed hmotnosti letadla a teoretický bod, kde se předpokládá soustředění hmotnosti letadla. Jeho vzdálenost od referenčního bodu se určí vydělením celkového momentu celkovou hmotností letadla.
Hranice těžiště – krajní místa předního a zadního těžiště (měřeno v palcích od referenčního bodu), v rámci kterých musí být letadlo provozováno při dané hmotnosti, aby letělo bezpečně.
Těžiště prázdného letadla (EWCG) – těžiště letadla, pokud obsahuje pouze položky uvedené v prázdné hmotnosti letadla. Toto číslo neslouží k ničemu jinému než k použití jako základ pro výpočet těžiště s přidáním dalších položek. Toto číslo vypočtete při vážení letadla.
Prázdná hmotnost – hmotnost draku letadla, motorů, veškerého trvale instalovaného (pevného) vybavení, nepoužitelného (zbytkového) paliva, nevypustitelného oleje, hydraulické kapaliny a pevného balastu.
Nivelační bod – bod na draku letadla, kam můžete umístit vodováhu, abyste určili, kdy je letadlo dokonale vodorovné pro vážení.
Maximální celková hmotnost – maximální povolená hmotnost letadla a veškerého jeho vybavení. Stanovuje ji konstruktér nebo výrobce stavebnice a je to doporučená hmotnost, kterou byste neměli překročit. Akrobatická hrubá hmotnost je maximální hmotnost, kterou konstrukce letadla unese při limitu 6 G pro kategorii akrobatických letadel.
Mediální aerodynamický kord (MAC)-průměrná vzdálenost od náběžné hrany k odtokové hraně křídla. MAC se většinou používá u velkých letadel s rozmáchlým křídlem, je to průměrný pás imaginárního křídla, které má stejné aerodynamické vlastnosti jako skutečné křídlo, a těžiště letadla je vyjádřeno v procentech MAC, což udává CG vzhledem k vlastnímu křídlu.
Moment – Síla, která způsobuje nebo se snaží způsobit rotaci objektu. Tato síla se měří v librách palců (lb/in) a je součinem hmotnosti předmětu vynásobené jeho ramenem. Například 200 liber paliva umístěných 40 palců od vztažné čáry by mělo moment 8 000 lb/in. Celkový moment je součinem hmotnosti letadla a vzdálenosti mezi vztažnou rovinou a CG.
Referenční vztažná rovina – pomyslná svislá rovina nebo přímka, od které se pro účely vyvážení měří všechny vodorovné vzdálenosti (ramena momentu). Neexistuje žádné pevné pravidlo pro umístění vztažné roviny. Obvykle se nachází na přídi letadla (bod spinneru) nebo na náběžné hraně křídel.
Stanoviště-Místo podél trupu letadla, obvykle měřené v palcích od vztažné roviny.
Užitečné zatížení-Rozdíl mezi prázdnou a maximální hmotností letadla. Je to hmotnost, kterou může letadlo nést jako použitelné palivo a olej, cestující a zavazadla.