Den korrekte fordeling af vægten spiller en stor og vigtig rolle for et flys samlede ydeevne. Hvis du belaster dit fly forkert, vil det påvirke flyets brændstofforbrug, hastighed, stigningshastighed, styrbarhed, loft og endda strukturel integritet.
Når du bygger dit eget fly, er det afgørende for din sikkerhed – og for sikkerheden for dem, der skal flyve med dig – at bestemme flyets vægt og balance før dets første flyvning. Vær omhyggelig og brug al den tid, der er nødvendig for at bestemme nøjagtige vægt- og balancetal.
Som produktionsfly skal hjemmebyggerier have nøjagtige vægt- og balancedata, når de certificeres, og når FAA undersøger dit færdige projekt, vil inspektøren gerne se dine vægt- og balancepapirer.
De fleste byggesætfabrikanter og flykonstruktører tilbyder en vis vægt- og balanceassistance ved at oplyse flyets maksimale bruttovægt, kunstflyvningens bruttovægt (hvis relevant), den maksimale bagagevægt for hvert rum, grænserne for det forreste og bageste tyngdepunkt (CG), det kunstflyvningens CG-område og datumreferencepunktet. Det er dit ansvar at veje og beregne tallene for dit fly.
Flere designere leverer også tabeller med eksempler på vægt- og balancetal, der viser typiske belastningssituationer. Disse er kun til gennemsyn. Du må ikke bruge dem til dit fly, da vægt- og balancetallene er forskellige for hvert fly, selv om de er af samme mærke og model.
Hvor dybt skal du gå ind i vægt og balance? Dybt nok til at opstille de vægt- og balancedata, der er nødvendige for at få dit luftdygtighedsbevis – og for at belaste dit fly korrekt. Som luftfartøjschef er du i henhold til Federal Aviation Regulation 91.7, Civil Aircraft Airworthiness, ansvarlig for at afgøre, om dit luftfartøj er sikkert at flyve.
En del af din afgørelse af et luftfartøjs egnethed til sikker flyvning er at sikre, at det ligger inden for dets vægt- og balancegrænser, og at det ikke overstiger dets maksimale bruttovægt. Det kan du ikke afgøre uden at beregne dit flys vægt- og balancetal. Dit flys vægt og balance spiller også en stor rolle for, hvor sikkert det flyver.
Performance &Sikkerhed
Hvilke virkninger kan vægt og balance have på et fly? Hvis et fly er tungere end sin maksimale bruttovægt, vil flyets…
– startløb blive længere, fordi starthastigheden bliver højere.
– stigningshastighed og -vinkelpræstationer vil blive reduceret.
– belastning under kunstflyvning vil være overdreven.
– marchhastighed vil blive reduceret.
– rækkevidde vil blive forkortet.
– serviceloftet vil blive sænket.
– manøvredygtigheden vil blive nedsat.
– landingsrullen vil blive længere, fordi landingshastigheden vil være højere.
En flyvemaskines balance, hvor dens tyngdepunkt (CG) er placeret, er måske endnu mere kritisk for flyvesikkerheden, fordi CG’s placering påvirker flyets stabilitet. Et flys tyngdepunkt er det punkt, hvor flyet ville balancere, hvis det blev hængt op i en wire, og det er det punkt, hvor flyets samlede vægt antages at være koncentreret (se figur 1).
Figur 1
For at opnå sikkerhed skal tyngdepunktet ligge inden for bestemte grænser, som er fastlagt af konstruktøren. Både lateral og longitudinal balance er vigtig, men den longitudinale balance – hvor tyngdepunktet er mellem næse og hale – er det vigtigste.
Hvis tyngdepunktet er mellem de tilladte grænser, vil flyet have tilstrækkelig stabilitet og kontrol. Efterhånden som tyngdepunktet bevæger sig mod den bageste grænse, bliver elevatorstyretrykket lettere, hvilket gør det lettere at rotere til en højere angrebsvinkel end ønsket, hvilket kan føre til stall.
Hvis tyngdepunktet er ved eller foran den bageste grænse, skal elevatoren have den fornødne nedadgående autoritet til at komme ud af et stall. Hvis tyngdepunktet er bag sin agtergrænse, vil elevatoren sandsynligvis ikke have den fornødne nedadgående autoritet til at komme ud af et stall. Hvis flyet kommer ind i et spin med et bagvedliggende CG, kan det komme ind i et fladt spin, som det er usandsynligt, at det kommer ud af.
Når CG bevæger sig hen imod sin forreste grænse, bliver elevatorens styretryk i næse opadgående retning tungere, når der påføres kræfter i næse opadgående retning, og du skal bruge mere næse opadgående elevator for at holde flyvningen i niveau. Fordi elevatorens næseopad-autoritet falder, når tyngdepunktet bevæger sig fremad, har elevatoren muligvis ikke næseopad-autoritet nok til at rotere til start – eller flare til landing.
Vægt og balance er så afgørende for flyvesikkerheden, at FAA Aviation Safety Program har udarbejdet et dokument (FAA-P-8740-5) udelukkende om dette, og det indeholder følgende:
“Flyets ydeevne og styreegenskaber påvirkes af bruttovægt- og tyngdepunktsgrænserne. Hvis alle piloter forstod og respekterede denne kendsgerning, kunne ulykker inden for almenflyvning reduceres drastisk. Et overbelastet eller ukorrekt afbalanceret luftfartøj vil kræve mere kraft og større brændstofforbrug for at opretholde flyvningen, og stabiliteten og styrbarheden vil blive alvorligt påvirket. Manglende forståelse for virkningerne af vægt og balance på flyets præstationer, især i kombination med sådanne præstationsreducerende faktorer som høj tæthedsgrad i højden, frost eller is på vingerne, lav motoreffekt, svære eller ukoordinerede manøvrer og nødsituationer, er en vigtig faktor i mange ulykker.”
Beregning af vægt & Balance
Vægt og balances bedste analogi er en løftestang og et omdrejningspunkt (tænk vippebræt). Hvis den er perfekt afbalanceret på omdrejningspunktet, vil håndtaget være helt plant. Hvis man tilføjer en vægt til håndtaget, forrykkes balancen, og hvor stor indflydelse vægten har, afhænger af dens placering på håndtaget. Jo større afstanden fra omdrejningspunktet er, jo større er indflydelsen.
For at genvinde håndtagets balance skal du tilføje noget vægt på den anden side af omdrejningspunktet (se figur 2). Den afstand, vægten er fra omdrejningspunktet, er armen, og når du multiplicerer vægten med armen, får du vægtens moment, eller hvor meget kraft den udøver (mere om dette senere).
For at sikre, at dit fly er i balance – at dets tyngdepunkt er inden for dets grænser – beregner du dets vægt og balance for forskellige konfigurationer før flyvning for at bestemme tyngdepunktets placering, hvilket er et matematisk bevis på, at dit fly er korrekt lastet. Da du bygger dit fly, vil du gerne beregne flere forhold, så du kan beregne visse belastninger yderligere.
De vægt- og balanceberegninger, der er præsenteret (tabel 1), er for en typisk RV-8, og det grundlæggende mantra for alle vægt- og balanceberegninger er: vægt ganget med arm er lig med moment. Man udfylder mellemrummene med vægten af brændstof, bagage og passagerer efter behov og multiplicerer dem derefter med armen for at få hvert moment for hvert element. (Tomvægten, armen og momentet for dit fly er konstante, og du bestemmer dem, når du vejer dit selvbyggede fly, som vi behandler næste gang.)
For at bestemme placeringen af autocamperens tyngdepunkt skal du lægge summen af kolonnerne for vægt og moment sammen. Divider derefter det samlede moment (141.827,74) med den samlede vægt (1.691) for at få tyngdepunktets placering (141.827,74/1.691=83,87).
RV-8’s tyngdepunktsinterval går fra 78,70 til 86,82 tommer bagud af datum, og 83,87 falder inden for det foreskrevne område. RV’ens maksimale bruttovægt er 1.800 pund, så 1.691 pund ligger inden for dette område. Ud fra disse beregninger har vi matematisk bevist vores vægt- og balancedata.
Den centrale vægtpunkts placering, når du letter, er muligvis ikke den samme som ved landingen, fordi det brændstof, der forbrændes, ændrer vægten ved brændstoftankernes station. I nogle fly bevæger tyngdepunktet sig bagud, når der forbruges brændstof, og hvis de andre vægte i flyet ikke er belastet korrekt, kan tyngdepunktet ligge ved eller bag sin bagudrettede grænse, når det er tid til at lande.
Med nogle få enkle beregninger kan du bestemme forskellige belastningsscenarier for dit fly. Du vil ønske at beregne prøvebelastninger, der resulterer i disse CG-placeringer:
– Tomvægt-CG
– Typisk belastning med fuldt brændstof
– Typisk belastning med minimalt brændstof
– Mest fremadrettede CG-belastning
– Mest bagudrettede CG-belastning
– Maksimal belastning med fuldt brændstof
– Maksimal belastning efter flyvning med minimalt brændstof
Afhængigt af dit fly, vil du måske tilføje andre scenarier. Hvis dit fly f.eks. er normeret til kunstflyvning, skal du beregne belastninger, der resulterer i CG-placeringer, der er egnede til kunstflyvning. I begge tilfælde beregner du flyets tomme vægt CG én gang – medmindre du tilføjer, fratrækker eller ændrer dets faste udstyr, og så skal du beregne det igen.
Vejning af dit fly
For at bestemme flyets tomme vægt og tomme vægt tyngdepunkt (EWCG) skal du veje det. Og for at veje dit fly skal du skaffe den rigtige vægt. Nogle bygherrer bruger badevægte, men i betragtning af vigtigheden af nøjagtige vægt- og balanceoplysninger for sikkerheden ved hver eneste flyvning, du foretager i flyet, skal du låne eller leje platformsvægte, der er blevet kalibreret med henblik på nøjagtighed. (Din og dine passagerers sikkerhed er helt sikkert lejeprisen værd.)
En typisk vægt, der anvendes til fly. Hvis vægten er på hjul, skal du sørge for, at den er fastgjort forsvarligt, så den ikke bevæger sig, når du ruller dit fly over på den.
I en hangar, hvor vinden ikke kan blæse på flyet og forårsage udsving i vægten, skal du veje dit fly i tom tilstand. Generelt betyder “tomvægt” vægten af flystel, motorer, alt permanent installeret (fastmonteret) udstyr, ubrugeligt (rest-) brændstof, olie, der ikke kan udtømmes, hydraulikvæske og fast ballast.
For at holde styr på, hvilket “fast” udstyr du har inkluderet i tomvægten, fra motor og propel til hjulbukser, skal du oprette en udstyrsliste. Du bør veje dit fly i dets flyveklare konfiguration, hvilket betyder, at alle motorhjelme, døre, baldakiner osv. er i deres positioner under flyvning.
Hvor du stiller flyet på vægten, skal du samle alt det udstyr, du får brug for. Dette omfatter klodser, donkrafte, nivelleringsudstyr, lodbobler, kridtlinjer, målebånd osv. Byg om nødvendigt ramper, så du kan rulle flyet ind på vægten. Hvis dit fly er en taildragger, skal du have et stativ, der er kompatibelt med halehjulet, og som kan holde flyets hale i en vandret flyvestilling.
Når du vælger en hangar, hvor du skal veje dit fly, så det er ude af vinden, som kan forårsage mindre end perfekt nøjagtighed, skal du sørge for, at hangaren har et glat gulv, fordi du skal lave nogle kridtstreger på det. Hvis vægtene er på hjul (hvilket er typisk), skal du sørge for, at de er sikkert fastgjort, så de ikke bevæger sig, når du ruller dit fly ind på dem. Når flyet står på vægten, skal du blokere hjulene; du må ikke bruge parkeringsbremsen, da det medfører fejl. Sørg for at veje flyets kiler, før du vejer flyet.
Når du står på vægten, skal du sørge for, at flyet er i en vandret flyvestilling, så alle komponenter vil være i deres korrekte afstand fra nulpunktet, hvilket resulterer i de mest nøjagtige oplysninger. Brug den nivelleringsprocedure, der anbefales af konstruktøren. Registrer derefter de vægte, der angives af de tre vægte (næsehjul eller halehjul, venstre hovedhjul og højre hovedhjul) – og fratræk derefter vægten af de respektive hjulklodser.
Tag ikke flyet af vægten, efter at du har vejet det – du skal måle den nøjagtige placering af visse vigtige komponenter. Den nemmeste og mest nøjagtige måde at gøre dette på er at bruge et lod og en kridtlinje. Markér på gulvet en kridtlinje, der er parallel med flyets centerlinje. Brug et lod til at overføre placeringen af referencepunktet og de andre komponenter til kridtlinjen. Mål derefter komponenternes afstand fra referencepunktet. Konstruktøren skal medtage en liste over komponenter, og denne liste omfatter typisk sæder, brændstoftanke, bagageområder og hoved- og næse-/halehjulet.
En god måde at sikre, at du registrerer alle de krævede vægte og målinger, er at oprette en formular som tabel 1 eller 2. Når de krævede vægte og/eller armnumre er udfyldt, er du færdig – med vejning og måling. Nu er det tid til at lave noget matematik. (For at gøre livet endnu nemmere kan du oprette tabellerne ved hjælp af et regnearksprogram, f.eks. Microsoft Excel, så det klarer matematikken for dig. Som en ekstra fordel kan du bruge regnearket til at beregne din flyvemaskines vægt og balance for evigt. Det eneste, du skal gøre, er at indsætte tallene for de variable vægte som passagerer og bagage.)
Vægt- og balancematematik er ikke svært, hvis du husker W&B-mantraet: vægt gange arm er lig med moment. I tabel 2 anvendes hypotetiske tal for RV-8, og efter at man har beregnet momentet for hvert hjul, summerer man vægt- og momentkolonnerne. For at finde tyngdepunktet for tomvægt skal du vende W&B-mantraet om: divider det samlede moment med den samlede vægt. Ved at gøre dette for tallene i tabel 2 får vi at vide, at RV-8’s EWCG er 76,26 tommer fra referencepunktet (81.525,64/1.069=76,26).
Du bemærker måske, at EWCG falder uden for RV-8’s etablerede CG-område (78,70 til 86,82 tommer bagud for referencepunktet), men det er okay, for RV’en flyver ikke uden pilot, brændstof, olie osv. Vægtene af disse væsentlige komponenter vil bringe CG inden for konvolutten.
Ballast
I de fleste tilfælde, hvis du bygger dit fly i overensstemmelse med konstruktørens specifikationer og ikke tilføjer en masse tungt udstyr, bør dit flys CG falde inden for den foreskrevne konvolut. Men hvis du foretager nogle ændringer, eller hvis du er større eller mindre end gennemsnitsmennesket, skal du måske tilføje noget ballast for at sikre, at CG forbliver sikkert inden for konvolutten.
Ballast betyder ikke altid, at du permanent skal tilføje død, værdiløs vægt til dit fly. Prøv at flytte nogle tunge komponenter, f.eks. batteriet. Hvis dit fly f.eks. er for næsetungt, og batteriet er placeret under motorhjelmen, kan du flytte batteriet bagud. Hvor langt? Aircraft Weight and Balance Handbook, FAA-H-8083-1, indeholder de nødvendige formler og giver dig en gennemgang af dem.
Afhængigt af dit fly kan du under visse belastningsforhold have brug for midlertidig ballast for at flytte tyngdepunktet derhen, hvor det hører hjemme (inden for kuverten). Den bedste løsning er at tilføje eller fratrække vægt i bagagerummet eller at ændre sædepositionerne for passagerer med forskellig vægt (hvis det er muligt).
En nøjagtig vejning, måling og beregning af din hjemmebyggede flyvemaskines vægt og balance er det første skridt til at sikre en sikker flyvning, første testflyvning eller ej. Beregn de forskellige belastningsforhold, som du kan støde på med dit fly, og hav dem klar til FAA-inspektøren, når han eller hun inspicerer dit fly.
Husk, at vægt- og balancedokumentationen er en del af det papirarbejde, der skal være om bord hele tiden. Den skal vise tomvægten, tomvægts-CG, de mest fremadrettede og mest bagudrettede grænser og prøvebelastninger. (Kitproducenten eller konstruktøren vil oplyse de forreste og bageste CG-grænser og den maksimale bruttovægt.)
Det er op til dig at læsse flyet korrekt, og det er absolut nødvendigt for sikker drift. Hvis du er usikker på, om CG er inden for sikkerhedsområdet, skal du tage dig tid til at beregne og verificere dens placering.
Referencer & Begreber
Som andre aspekter af luftfart har vægt og balance sit eget sæt af begreber, og nedenfor er de mest almindelige begreber. Definitionerne stammer fra FAA’s nyligt opdaterede Aircraft Weight and Balance Handbook, FAA-H-8083-1.
I otte velillustrerede kapitler lærer håndbogen næsten alt, hvad piloter, vedligeholdelsesteknikere – og hjemmebyggere – har brug for at vide om vægt og balance, fra teori og dokumentation til en glimrende beskrivelse af hvordan man laver en beskrivelse af vægt og regner et flys vægt og balance ud. Den kan fås i de fleste pilotforretninger og postordrefirmaer.
Andre gode referencer er FAA Aviation Safety Program pamflet, “Weight and Balance”, FAA-P-8740-5, FAA Advisory Circular 43.13-1B, Acceptable Methods, Techniques, and Practices-Aircraft Inspection and Repair, og FAA’s Airframe and Powerplant Mechanics General Handbook, AC 65-9A. Disse dokumenter kan fås hos Government Printing Office og Government Book Stores, og alle FAA-dokumenter og -regler kan fås på cd-rom fra Summit Aviation på www.summitaviation.com eller ved at ringe på 800/328-6280.
Arm-Allerede kaldet Moment Arm og normalt målt i tommer, er den horisontale afstand fra referencepunktet til en genstand, f.eks. de forreste passagersæder eller det bageste bagagerum. Hvis armen måles bagud for referencepunktet, har den et plus (+) foran tallet, og alle tal vil være positive, hvis referencepunktet er på flyets næse. Hvis datumet er vingens forkant, er der et minustegn (-) foran målinger af armen foran dette punkt.
Tyngdepunkt (CG) – Det punkt, hvor et luftfartøj ville balancere, hvis det blev ophængt i dette punkt. Det er centrum for luftfartøjets masse og det teoretiske punkt, hvor luftfartøjets vægt antages at være koncentreret. Afstanden fra referencepunktet bestemmes ved at dividere det samlede moment med luftfartøjets samlede vægt.
Tyngdepunktsgrænser – De ekstreme forreste og bageste CG-positioner (målt i tommer fra referencepunktet), inden for hvilke luftfartøjet skal opereres ved en given vægt for at kunne flyve sikkert.
Tomtvægts tyngdepunkt (EWCG) – Et luftfartøjs CG, når det kun indeholder de genstande, der er angivet i luftfartøjets tomme vægt. Dette tal tjener intet andet formål end at blive brugt som grundlag for beregninger af tyngdepunktet med andre elementer tilføjet. Du beregner dette tal, når du vejer luftfartøjet.
Tomme vægt – Vægten af flyskrog, motorer, alt permanent installeret (fastmonteret) udstyr, ubrugeligt (rest-) brændstof, olie, der ikke kan udtømmes, hydraulikvæske og fast ballast.
Nivelleringspunkt – Et punkt på flyskroget, hvor du kan placere et niveau for at bestemme, hvornår flyet er helt plant til vejning.
Maximum bruttovægt – Den maksimale tilladte vægt af luftfartøjet og alt dets udstyr. Den er fastsat af konstruktøren eller kitproducenten og er en anbefalet vægt, som du ikke bør overskride. Den aerobatiske bruttovægt er den maksimale vægt, som luftfartøjskonstruktionen kan bære ved akrobatikflykategoriens 6-G-grænse.
Mean Aerodynamic Chord (MAC)-Den gennemsnitlige afstand fra vingens forkant til vingens bagkant. MAC, der oftest anvendes til store fly med svungne vinger, er den gennemsnitlige kordel af en imaginær vinge, der har de samme aerodynamiske egenskaber som den faktiske vinge, og flyets tyngdepunkt udtrykkes som en procentdel af MAC, hvilket angiver tyngdepunktet i forhold til selve vingen.
Moment – En kraft, der får eller forsøger at få et objekt til at rotere. Denne kraft måles i pound-inches (lb/in) og er produktet af en genstands vægt ganget med dens arm. F.eks. vil et brændstof på 200 pund placeret 40 tommer fra datumlinjen have et moment på 8.000 lb/in. Det samlede moment er luftfartøjets vægt ganget med afstanden mellem nulpunktet og tyngdepunktet.
Referencepunkt – Et imaginært lodret plan eller en imaginær lodret linje, hvorfra alle vandrette afstande (momentarme) måles til balanceformål. Der er ingen faste regler om datumets placering. Normalt er det på flyets næse (spinnerens punkt) eller vingernes forkant.
Station-En placering langs flyets skrog, normalt målt i tommer fra datumet.
Useful Load-Differencen mellem flyets tomme og maksimale vægt. Det er den vægt, som et fly kan bære som brugbart brændstof og olie, passagerer og bagage.