La distribución adecuada del peso juega un papel grande e importante en el rendimiento general de un avión. Si carga su avión de forma incorrecta, afectará a su consumo de combustible, velocidad, tasa de ascenso, capacidad de control, techo e incluso a la integridad estructural.
Cuando construya su propio avión, determinar su peso y equilibrio antes de su primer vuelo es fundamental para su seguridad y la de aquellos que volarán con usted. Tenga cuidado y dedique todo el tiempo necesario para determinar los números exactos de peso y equilibrio.
Al igual que las aeronaves de producción, los aviones caseros deben tener datos exactos de peso y equilibrio cuando se certifican, y cuando la FAA examina su proyecto terminado, el inspector querrá ver su documentación de peso y equilibrio.
La mayoría de los fabricantes de kits y diseñadores de aeronaves ofrecen alguna ayuda para el peso y el equilibrio proporcionando el peso bruto máximo del avión, el peso bruto acrobático (si procede), el peso máximo del equipaje para cada compartimento, los límites del centro de gravedad (CG) delantero y trasero, el rango del CG acrobático y el punto de referencia. Es su responsabilidad pesar y calcular los números para su avión.
Algunos diseñadores también proporcionan tablas con números de peso y equilibrio de muestra que muestran situaciones de carga típicas. Estos son sólo para su revisión. No las utilice para su avión porque los números de peso y equilibrio son diferentes para cada avión, incluso si son de la misma marca y modelo.
¿Cuánto debe profundizar en el peso y el equilibrio? Lo suficiente como para tabular los datos de peso y equilibrio necesarios para obtener su certificado de aeronavegabilidad y para cargar correctamente su avión. Como piloto al mando, la Regulación de Aviación Federal 91.7, Aeronavegabilidad de Aeronaves Civiles, le hace responsable de determinar si su aeronave es segura para volar.
Parte de su determinación de la idoneidad de una aeronave para un vuelo seguro es asegurarse de que está dentro de sus límites de peso y equilibrio y que no excede su peso bruto máximo. Usted no puede determinar eso sin calcular los números de peso y balance de su avión. El peso y el equilibrio de su avión también juegan un papel importante en la seguridad de su vuelo.
Desempeño &Seguridad
¿Qué efectos pueden tener el peso y el equilibrio en un avión? Si un avión es más pesado que su peso bruto máximo, la carrera de despegue del avión…
– será más larga porque la velocidad de despegue será mayor.
– el rendimiento de la tasa y el ángulo de ascenso se reducirá.
– la carga durante el vuelo acrobático será excesiva.
– la velocidad de crucero se reducirá.
– la autonomía de crucero se acortará.
– el techo de servicio se reducirá.
– la maniobrabilidad disminuirá.
– el balanceo de aterrizaje será más largo porque la velocidad de aterrizaje será mayor.
El equilibrio de un avión, donde se encuentra su centro de gravedad (CG), es, quizás, aún más crítico para la seguridad del vuelo porque la ubicación del CG afecta a la estabilidad del avión. El centro de gravedad de un avión es el punto en el que el avión se equilibraría si estuviera suspendido de un cable, y es el punto en el que se supone que se concentra el peso total del avión (véase la figura 1).
Figura 1
Para la seguridad, el CG debe estar dentro de unos límites específicos, determinados por el diseñador. Tanto el equilibrio lateral como el longitudinal son importantes, pero el equilibrio longitudinal -donde el CG está entre el morro y la cola- es la principal preocupación.
Si el CG está entre los límites permitidos, el avión tendrá una estabilidad y control adecuados. A medida que el CG se desplaza hacia su límite de popa, las presiones de control del elevador se vuelven más ligeras, lo que facilita la rotación a un ángulo de ataque más alto de lo deseado, lo que puede llevar a una pérdida.
Si el CG está en su límite de popa o por delante de él, el elevador debería tener la autoridad de bajada de morro para recuperarse de una pérdida. Si el CG está por detrás de su límite de popa, es probable que el elevador no tenga la autoridad para bajar el morro y recuperarse de la pérdida. Si la aeronave entra en barrena con un CG a popa, podría entrar en una barrena plana de la que la recuperación sería improbable.
A medida que el CG se mueve hacia su límite delantero, las presiones de control de nariz del elevador se vuelven más pesadas al aplicar fuerzas de nariz, y necesitará más elevador de nariz para mantener el vuelo nivelado. Debido a que la autoridad de elevación del elevador disminuye a medida que el CG se mueve hacia adelante, si el CG está por delante de su límite delantero, el elevador puede no tener la autoridad de elevación de nariz para girar para el despegue o flare para aterrizar.
El peso y el equilibrio son tan críticos para la seguridad del vuelo que el Programa de Seguridad de la Aviación de la FAA creó un documento (FAA-P-8740-5) exclusivamente sobre él, y ofrece lo siguiente:
«El rendimiento y las características de manejo de la aeronave se ven afectados por el peso bruto y los límites del centro de gravedad. Si todos los pilotos entendieran y respetaran este hecho, los accidentes de aviación general podrían reducirse drásticamente. Una aeronave sobrecargada o mal equilibrada requerirá más potencia y mayor consumo de combustible para mantener el vuelo, y la estabilidad y controlabilidad se verán seriamente afectadas. La falta de apreciación de los efectos del peso y el equilibrio en el rendimiento de las aeronaves, especialmente en combinación con factores que reducen el rendimiento como la altitud de alta densidad, la escarcha o el hielo en las alas, la baja potencia del motor, las maniobras severas o descoordinadas y las situaciones de emergencia, es un factor primordial en muchos accidentes».
Calcular el peso & Equilibrio
La mejor analogía del peso y el equilibrio es una palanca y un punto de apoyo (piense en el balancín). Si está perfectamente equilibrada en el punto de apoyo, la palanca estará absolutamente nivelada. Añadir cualquier peso a la palanca altera el equilibrio, y la influencia del peso depende de su ubicación en la palanca. Cuanto mayor sea la distancia al fulcro, mayor será la influencia.
Para recuperar el equilibrio de la palanca hay que añadir algún peso al otro lado del fulcro (ver figura 2). La distancia entre el peso y el punto de apoyo es el brazo, y cuando se multiplica el peso por el brazo, se obtiene el momento del peso, es decir, la fuerza que ejerce (más adelante).
Para asegurarse de que su avión está equilibrado, es decir, que su CG está dentro de sus límites, debe calcular su peso y equilibrio para diferentes configuraciones antes del vuelo para determinar la ubicación del CG, prueba matemática de que su avión está cargado correctamente. Como está construyendo su avión, querrá calcular varias condiciones para poder calcular más adelante ciertas cargas.
Los cálculos de peso y equilibrio presentados (Tabla 1) son para un RV-8 típico, y el mantra básico para todo cálculo de peso y equilibrio es: peso multiplicado por brazo es igual a momento. Se rellenan los espacios con los pesos del combustible, el equipaje y los ocupantes, según corresponda, y luego se multiplican por el brazo para obtener el momento de cada elemento. (El peso en vacío, el brazo y el momento de la aeronave son constantes y se determinan cuando se pesa la aeronave casera, de la que hablaremos a continuación). A continuación, divida el momento total (141.827,74) por el peso total (1.691) para obtener la ubicación del centro de gravedad (141.827,74/1.691=83,87).
El rango del centro de gravedad del RV-8 va de 78,70 a 86,82 pulgadas a popa del punto de referencia, y 83,87 entra dentro de los límites prescritos. El peso bruto máximo del RV es de 1.800 libras, por lo que 1.691 libras están dentro de ese margen. A partir de estos cálculos hemos comprobado matemáticamente nuestros datos de peso y equilibrio.
La ubicación del CG al despegar puede no ser la misma que al aterrizar porque el combustible quemado cambia el peso en la estación de los tanques de combustible. En algunas aeronaves, el CG se desplaza hacia la popa a medida que se consume el combustible, y si los otros pesos de la aeronave no están cargados correctamente, el CG podría estar en su límite de popa o detrás de él cuando llegue el momento de aterrizar.
Con unos sencillos cálculos puede determinar diferentes escenarios de carga para su aeronave. Usted querrá calcular las cargas de muestra que resultan en estas ubicaciones de CG:
– CG en vacío
– Carga típica con el combustible lleno
– Carga típica con el combustible mínimo
– Carga del CG más adelantado
– Carga del CG más atrasado
– Carga máxima con el combustible lleno
– Carga máxima después del vuelo con el combustible mínimo
Dependiendo de su avión, es posible que quieras añadir otros escenarios. Por ejemplo, si su avión está clasificado para acrobacias aéreas, querrá calcular las cargas que resulten en ubicaciones de CG adecuadas para las acrobacias aéreas. En cualquier caso, calculará el CG en vacío de su avión una vez, a menos que añada, reste o cambie su equipamiento fijo, y entonces deberá calcularlo de nuevo.
Pesando su avión
Para determinar el peso en vacío de su avión y el centro de gravedad en vacío (EWCG), debe pesarlo. Y para pesar su avión, necesita obtener las básculas adecuadas. Algunos constructores utilizan básculas de baño, pero dada la importancia de la información precisa sobre el peso y el equilibrio para la seguridad de cada vuelo que realice en el avión, pida prestadas o alquile básculas de plataforma que hayan sido calibradas para su precisión. (Ciertamente, la seguridad de usted y de sus pasajeros vale el precio del alquiler.)
Una báscula típica utilizada para aviones. Si su báscula tiene ruedas, asegúrese de que estén bien calzadas para que no se muevan cuando ruede su avión sobre ellas.
En un hangar, donde el viento no pueda soplar sobre el avión y causar fluctuaciones en el peso, pese su avión en estado vacío. Generalmente, el «peso en vacío» significa el peso del fuselaje, los motores, todo el equipo instalado permanentemente (fijo), el combustible no utilizable (residual), el aceite no drenable, el fluido hidráulico y el lastre fijo.
Para llevar la cuenta de qué equipo «fijo» ha incluido en el peso en vacío, desde el motor y la hélice hasta los pantalones de las ruedas, cree una lista de equipo. Debe pesar su avión en su configuración lista para volar, lo que significa que todas las capotas, puertas, toldos, etc. están en sus posiciones de vuelo.
Antes de poner el avión en la báscula, reúna todo el equipo que necesitará. Esto incluye calzos, gatos, equipo de nivelación, plomadas, líneas de tiza, cintas métricas, etc. Si es necesario, construya rampas que le permitan hacer rodar el avión hasta la báscula. Si su avión es un avión de cola, tenga un soporte compatible con la rueda de cola que mantenga la cola de su avión en una actitud de vuelo nivelada.
Cuando elija un hangar en el que pesar su avión para que esté fuera del viento, lo que puede causar una precisión menos perfecta, asegúrese de que el hangar tiene un suelo liso porque hará algunas líneas de tiza en él. Si la báscula tiene ruedas (lo cual es típico), asegúrese de que estén bien calzadas para que no se muevan cuando ruede el avión sobre ellas. Cuando el avión esté en la báscula, calce las ruedas; no utilice el freno de mano porque introduce errores. Asegúrese de pesar los calzos del avión antes de pesar el avión.
Cuando esté en la báscula, asegúrese de que el avión está en una actitud de vuelo nivelada para que todos los componentes estén a su distancia correcta del punto de referencia, lo que resulta en la información más precisa. Utilice el procedimiento de nivelación recomendado por el diseñador. A continuación, registre los pesos indicados por las tres escalas (rueda de nariz o rueda de cola, principal izquierda y principal derecha) y, a continuación, reste el peso de los respectivos calzos de las ruedas.
No retire el avión de la balanza después de pesarlo: necesita medir la ubicación exacta de ciertos componentes clave. La forma más fácil y precisa de lograrlo es utilizar una plomada y una línea de tiza. Marque en el suelo una línea de tiza paralela a la línea central del avión. Utilice una plomada para transferir las ubicaciones del punto de referencia y los otros componentes a la línea de tiza. A continuación, mida la distancia de los componentes al punto de referencia. El diseñador debe incluir una lista de componentes, y esta lista suele incluir los asientos, los depósitos de combustible, las zonas de equipaje y la rueda principal y de morro/cola.
Una buena forma de asegurarse de registrar todos los pesos y medidas necesarios es crear un formulario como la Tabla 1 o 2. Cuando se rellenan los pesos y/o números de brazo requeridos, se ha terminado de pesar y medir. Ahora es el momento de hacer algunos cálculos. (Para facilitar aún más la vida, cree las tablas utilizando un programa de hoja de cálculo, como Microsoft Excel, para que haga los cálculos por usted. Como ventaja adicional, puedes utilizar la hoja de cálculo para calcular el peso y el equilibrio de tu avión para siempre. Todo lo que tiene que hacer es introducir los números para los pesos variables, como los pasajeros y el equipaje.)
Las matemáticas de peso y equilibrio no son difíciles si recuerda el mantra W&B: peso por brazo es igual a momento. La tabla 2 utiliza números hipotéticos para el RV-8, y después de calcular el momento para cada rueda, se suman las columnas de peso y momento. Para encontrar el centro de gravedad en vacío, invierta el mantra W&B: divida el momento total por el peso total. Haciendo esto para los números de la Tabla 2 nos dice que el EWCG del RV-8 está a 76,26 pulgadas del punto de referencia (81.525,64/1.069=76,26).
Puede notar que el EWCG cae fuera de la envoltura del CG establecido del RV-8 (78,70 a 86,82 pulgadas a popa del punto de referencia), pero eso está bien porque el RV no volará sin un piloto, combustible, aceite, etc. Los pesos de estos componentes esenciales harán que el CG esté dentro de la envolvente.
Lastre
En la mayoría de los casos, si construye su avión de acuerdo con las especificaciones del diseñador y no añade mucho equipo pesado, el CG de su avión debería estar dentro de la envolvente prescrita. Pero si usted hace algunos cambios, o es más grande o más pequeño que la persona promedio, es posible que tenga que añadir algo de lastre para asegurarse de que el CG se mantiene con seguridad en la envolvente.
El lastre no siempre significa añadir peso muerto y sin valor de forma permanente a su avión. Intente reubicar algunos componentes de peso, como la batería. Por ejemplo, si su avión es demasiado pesado en la nariz y la batería está debajo del capó, mueva la batería hacia la popa. ¿A qué distancia? El Manual de Peso y Equilibrio de la Aeronave, FAA-H-8083-1, proporciona las fórmulas necesarias y le guía a través de ellas.
Dependiendo de su avión, en algunas condiciones de carga puede necesitar algún lastre temporal para mover el CG donde debe estar (dentro de la envoltura). La mejor solución es añadir o restar peso en el compartimento de equipaje o cambiar las posiciones de los asientos de los pasajeros de diferentes pesos (si es posible).
Pesar, medir y calcular con precisión el peso y el equilibrio de su homebuilt es el primer paso para garantizar un vuelo seguro, ya sea el primer vuelo de prueba o cualquier otro. Calcule las diversas condiciones de carga que puede encontrar con su avión y téngalas listas para el inspector de la FAA cuando inspeccione su avión.
Recuerde que la documentación de peso y balance es parte del papeleo que debe estar a bordo en todo momento. Debe mostrar el peso en vacío, el CG en vacío, los límites más adelantados y más atrasados, y las cargas de muestra. (El fabricante o diseñador del kit proporcionará los límites de CG delantero y trasero y el peso bruto máximo.)
Cargar el avión correctamente depende de usted, y es absolutamente esencial para una operación segura. Si no está seguro de si el CG está en la envoltura de seguridad, tómese el tiempo para calcular y verificar su ubicación.
Referencias &Términos
Al igual que otros aspectos de la aviación, el peso y el equilibrio tiene su propio conjunto de términos, y a continuación están los más comunes. Las definiciones proceden del recientemente actualizado Aircraft Weight and Balance Handbook, FAA-H-8083-1.
En ocho capítulos bien ilustrados, el manual enseña casi todo lo que los pilotos, los técnicos de mantenimiento y los constructores caseros necesitan saber sobre el peso y el equilibrio, desde la teoría y la documentación hasta una excelente descripción sobre el peso y el cálculo del peso y el equilibrio de un avión. Está disponible en la mayoría de las tiendas de suministros para pilotos y empresas de venta por correo.
Otras buenas referencias son el folleto del Programa de Seguridad de la Aviación de la FAA, «Peso y Equilibrio», FAA-P-8740-5, la Circular Consultiva 43.13-1B de la FAA, Métodos, Técnicas y Prácticas Aceptables-Inspección y Reparación de Aeronaves, y el Manual General de Mecánica de Aeronaves y Plantas Motrices de la FAA, AC 65-9A. Estos documentos están disponibles en la Government Printing Office y en las Government Book Stores, y todos los documentos y reglamentos de la FAA están disponibles en CD-ROM en Summit Aviation en www.summitaviation.com o llamando al 800/328-6280.
Brazo-También llamado Moment Arm y normalmente medido en pulgadas, es la distancia horizontal desde el punto de referencia a un elemento, como los asientos delanteros de los pasajeros o el compartimiento de equipaje de popa. Si el brazo se mide a popa del punto de referencia, tiene un signo más (+) antes del número, y todos los números serán positivos si el punto de referencia está en el morro del avión. Si el punto de referencia es el borde de ataque del ala, las mediciones del brazo por delante de este punto van precedidas de un signo menos (-).
Centro de gravedad (CG)-El punto en el que un avión se equilibraría si estuviera suspendido en ese punto. Es el centro de la masa de la aeronave y el punto teórico donde se supone que se concentra el peso de la aeronave. Su distancia desde el punto de referencia se determina dividiendo el momento total por el peso total de la aeronave.
Centro de gravedad límite-Las ubicaciones extremas del CG hacia adelante y hacia atrás (medidas en pulgadas desde el punto de referencia) dentro de las cuales la aeronave debe ser operada con un peso determinado para volar con seguridad.
Centro de gravedad en vacío (EWCG)-El CG de una aeronave cuando contiene sólo los elementos especificados en el peso en vacío de la aeronave. Este número no sirve para nada, excepto para utilizarlo como base para los cálculos del centro de gravedad con otros elementos añadidos. Este número se calcula cuando se pesa la aeronave.
Peso en vacío-El peso del fuselaje, los motores, todo el equipo instalado permanentemente (fijo), el combustible no utilizable (residual), el aceite no drenable, el fluido hidráulico y el lastre fijo.
Dato de nivelación-Un punto en el fuselaje donde se puede colocar un nivel para determinar cuándo el avión está perfectamente nivelado para su pesaje.
Peso bruto máximo-El peso máximo autorizado de la aeronave y todo su equipo. Establecido por el diseñador o el fabricante del kit, es un peso recomendado que no se debe sobrepasar. El peso bruto acrobático es el peso máximo que la estructura de la aeronave soportará en el límite 6-G de la categoría de aeronave acrobática.
Cordón aerodinámico medio (MAC)-La distancia media desde el borde de ataque hasta el borde de salida del ala. Utilizado sobre todo para los aviones grandes de ala barrida, el MAC es la cuerda media de un ala imaginaria que tiene las mismas características aerodinámicas del ala real, y el centro de gravedad del avión se expresa como un porcentaje del MAC, que indica el CG con respecto al ala misma.
Momento-Fuerza que provoca o intenta provocar la rotación de un objeto. Esta fuerza se mide en libras-pulgadas (lb/in) y es el producto del peso de un elemento multiplicado por su brazo. Por ejemplo, 200 libras de combustible situadas a 40 pulgadas de la línea de referencia tendrían un momento de 8.000 lb/in. El momento total es el peso de la aeronave multiplicado por la distancia entre el punto de referencia y el CG.
Dato de referencia-Un plano o línea vertical imaginaria desde la cual se miden todas las distancias horizontales (brazos de momento) para fines de equilibrio. No hay una regla fija sobre la ubicación del datum. Por lo general, se encuentra en el morro del avión (punto de la hélice) o en el borde de ataque de las alas.
Estación-Una ubicación a lo largo del fuselaje de la aeronave, normalmente medida en pulgadas desde el punto de referencia.
Carga útil-La diferencia entre el peso en vacío y el peso máximo de la aeronave. Es el peso que una aeronave puede transportar como combustible y aceite utilizable, pasajeros y equipaje.