La bonne répartition du poids joue un rôle important et considérable dans les performances globales d’un avion. Chargez votre avion de manière inappropriée, et cela affectera sa consommation de carburant, sa vitesse, son taux de montée, sa contrôlabilité, son plafond et même son intégrité structurelle.
Lorsque vous construisez votre propre avion, la détermination de son poids et de son équilibre avant son premier vol est essentielle pour votre sécurité – et la sécurité de ceux qui voleront avec vous. Prenez soin et tout le temps nécessaire pour déterminer des chiffres de poids et de balance précis.
Comme les avions de série, les homebuilts doivent avoir des données de poids et de balance précises lorsqu’ils sont certifiés, et lorsque la FAA examine votre projet terminé, l’inspecteur voudra voir vos documents de poids et de balance.
La plupart des fabricants de kits et des concepteurs d’aéronefs offrent une certaine assistance en matière de poids et de balance en fournissant le poids brut maximal de l’avion, le poids brut de voltige (le cas échéant), le poids maximal des bagages pour chaque compartiment, les limites du centre de gravité (CG) avant et arrière, la plage du CG de voltige et le point de référence du datum. Il est de votre responsabilité de peser et de calculer les chiffres pour votre avion.
Plusieurs concepteurs fournissent également des tableaux avec des exemples de chiffres de poids et de balance montrant des situations de chargement typiques. Ceux-ci sont uniquement destinés à votre examen. Ne les utilisez pas pour votre avion parce que les chiffres de poids et de balance sont différents pour chaque avion, même s’ils sont de la même marque et du même modèle.
Juste à quel point devez-vous approfondir le poids et la balance ? Assez profondément pour tabuler les données de poids et de centrage nécessaires pour obtenir votre certificat de navigabilité – et pour charger correctement votre avion. En tant que pilote commandant de bord, la réglementation fédérale de l’aviation 91.7, Civil Aircraft Airworthiness, vous rend responsable de déterminer si votre aéronef peut voler en toute sécurité.
Une partie de votre détermination de l’aptitude d’un aéronef à voler en toute sécurité consiste à vous assurer qu’il est dans ses limites de poids et de centrage et qu’il ne dépasse pas sa masse brute maximale. Vous ne pouvez pas déterminer cela sans calculer les chiffres de masse et de centrage de votre avion. La masse et le centrage de votre avion jouent également un rôle énorme dans la sécurité de son vol.
Performance &Sécurité
Quels effets la masse et le centrage peuvent-ils avoir sur un avion ? Si un avion est plus lourd que sa masse brute maximale,…
– la course au décollage sera plus longue car la vitesse de décollage sera plus élevée.
– les performances de taux et d’angle de montée seront réduites.
– la charge pendant le vol acrobatique sera excessive.
– la vitesse de croisière sera réduite.
– l’autonomie de croisière sera réduite.
– le plafond de service sera abaissé.
– la manœuvrabilité sera diminuée.
– le roulement à l’atterrissage sera plus long car la vitesse d’atterrissage sera plus élevée.
L’équilibre d’un avion, l’endroit où se trouve son centre de gravité (CG), est, peut-être, encore plus critique pour la sécurité du vol car l’emplacement du CG affecte la stabilité de l’avion. Le centre de gravité d’un avion est le point où l’avion s’équilibrerait s’il était suspendu à un fil, et c’est le point où l’on suppose que le poids total de l’avion est concentré (voir figure 1).
Figure 1
Pour la sécurité, le CG doit se situer dans des limites spécifiques, déterminées par le concepteur. L’équilibre latéral et longitudinal est important, mais l’équilibre longitudinal – où le CG se trouve entre le nez et la queue – est la principale préoccupation.
Si le CG se trouve entre les limites permises, l’avion aura une stabilité et un contrôle adéquats. Au fur et à mesure que le CG se rapproche de sa limite arrière, les pressions de commande de la gouverne de profondeur deviennent plus légères, ce qui facilite la rotation vers un angle d’attaque plus élevé que souhaité, ce qui peut conduire à un décrochage.
Si le CG est à sa limite arrière ou devant celle-ci, la gouverne de profondeur devrait avoir l’autorité de piquer pour sortir d’un décrochage. Si le CG est derrière sa limite arrière, la gouverne de profondeur n’aura probablement pas l’autorité de piquer pour sortir du décrochage. Si l’avion entre en vrille avec un CG arrière, il pourrait entrer dans une vrille plate dont la sortie serait improbable.
A mesure que le CG se rapproche de sa limite avant, les pressions de commande de cabrage de la gouverne de profondeur deviennent plus lourdes lors de l’application des forces de cabrage, et vous aurez besoin de plus de cabrage pour maintenir le vol en palier. Étant donné que l’autorité de cabrage de la gouverne de profondeur diminue à mesure que le CG se déplace vers l’avant, si le CG est en avant de sa limite avant, la gouverne de profondeur peut ne pas avoir l’autorité de cabrage nécessaire pour effectuer une rotation pour le décollage ou un arrondi pour l’atterrissage.
La masse et l’équilibre sont si essentiels à la sécurité du vol que le programme de sécurité aérienne de la FAA a créé un document (FAA-P-8740-5) uniquement à ce sujet, et il offre ce qui suit :
« Les performances et les caractéristiques de maniabilité de l’aéronef sont affectées par les limites de masse brute et de centre de gravité. Si chaque pilote comprenait et respectait ce fait, les accidents de l’aviation générale pourraient être réduits de façon spectaculaire. Un avion surchargé ou mal équilibré nécessitera plus de puissance et une plus grande consommation de carburant pour maintenir le vol, et la stabilité et la contrôlabilité seront sérieusement affectées. Le manque d’appréciation des effets de la masse et de l’équilibre sur les performances des aéronefs, en particulier en combinaison avec des facteurs de réduction des performances tels que l’altitude-densité élevée, le givre ou la glace sur les ailes, la faible puissance du moteur, les manœuvres sévères ou non coordonnées et les situations d’urgence, est un facteur primordial dans de nombreux accidents. »
Calcul de la masse &Equilibre
La meilleure analogie de la masse et de l’équilibre est un levier et un point d’appui (pensez à la balançoire à bascule). S’il est parfaitement équilibré sur le point d’appui, le levier sera absolument de niveau. L’ajout d’un poids au levier perturbe l’équilibre, et l’influence du poids dépend de son emplacement sur le levier. Plus la distance du point d’appui est grande, plus l’influence est grande.
Pour retrouver l’équilibre du levier, vous devez ajouter du poids de l’autre côté du point d’appui (voir figure 2). La distance entre le poids et le point d’appui est le bras, et lorsque vous multipliez le poids par le bras, vous obtenez le moment du poids, ou la force qu’il exerce (nous y reviendrons).
Pour vous assurer que votre avion est en équilibre – que son CG est dans ses limites – vous calculez son poids et son équilibre pour différentes configurations avant le vol afin de déterminer l’emplacement du CG, preuve mathématique que votre avion est correctement chargé. Parce que vous construisez votre avion, vous voudrez calculer plusieurs conditions pour vous permettre de calculer davantage certaines charges.
Les calculs de masse et de centrage présentés (tableau 1) sont pour un RV-8 typique, et le mantra de base pour tout calcul de masse et de centrage est : le poids multiplié par le bras égale le moment. Vous remplissez les espaces avec les poids du carburant, des bagages et des occupants comme il convient, puis vous les multipliez par le bras pour obtenir le moment de chaque élément. (Le poids à vide, le bras et le moment de votre avion sont constants, et vous les déterminez lorsque vous pesez votre homebuilt, dont nous parlerons ensuite.)
Pour déterminer l’emplacement du centre de gravité du VR, additionnez les totaux des colonnes de poids et de moment. Divisez ensuite le moment total (141 827,74) par le poids total (1 691) pour obtenir l’emplacement du CG (141 827,74/1 691=83,87).
La plage du CG du RV-8 va de 78,70 à 86,82 pouces à l’arrière du point de référence, et 83,87 se situe dans l’enveloppe prescrite. Le poids brut maximal du RV est de 1 800 livres, donc 1 691 livres sont dans cette enveloppe. À partir de ces calculs, nous avons prouvé mathématiquement nos données de poids et de balance.
L’emplacement du CG au décollage peut ne pas être le même qu’à l’atterrissage parce que le carburant brûlé change le poids à la station des réservoirs de carburant. Dans certains avions, le CG se déplace vers l’arrière au fur et à mesure que le carburant est consommé, et si les autres poids de l’avion ne sont pas correctement chargés, le CG pourrait être à sa limite arrière ou derrière celle-ci au moment de l’atterrissage.
Avec quelques calculs simples, vous pouvez déterminer différents scénarios de chargement pour votre avion. Vous voudrez calculer des échantillons de chargements qui aboutissent à ces emplacements de CG :
– CG à vide
– Chargement typique avec le plein de carburant
– Chargement typique avec le minimum de carburant
– Chargement CG le plus avant
– Chargement CG le plus arrière
– Chargement maximal avec le plein de carburant
– Chargement maximal après le vol avec le minimum de carburant
Selon votre avion, vous voudrez peut-être ajouter d’autres scénarios. Par exemple, si votre avion est classé pour la voltige, vous voudrez calculer des chargements qui donnent des emplacements de CG adaptés à la voltige. Dans un cas comme dans l’autre, vous calculez le CG à vide de votre avion une fois – à moins que vous n’ajoutiez, ne soustrayez ou ne modifiez son équipement fixe, auquel cas vous devez le calculer à nouveau.
Pesage de votre avion
Pour déterminer le poids à vide et le centre de gravité à vide (CGV) de votre avion, vous devez le peser. Et pour peser votre avion, vous devez vous procurer les balances appropriées. Certains constructeurs utilisent des balances de salle de bain, mais étant donné l’importance de la précision des informations de poids et de balance pour la sécurité de chaque vol que vous effectuerez avec l’avion, empruntez ou louez des balances à plate-forme qui ont été calibrées pour leur précision. (Il est certain que la sécurité de vous et de vos passagers vaut les frais de location.)
Une balance typique utilisée pour les avions. Si vos balances sont sur roues, assurez-vous qu’elles sont bien calées afin qu’elles ne bougent pas lorsque vous faites rouler votre avion dessus.
Dans un hangar, où le vent ne peut pas souffler sur l’avion et provoquer des fluctuations de poids, pesez votre avion à l’état vide. En général, le « poids à vide » signifie le poids de la cellule, des moteurs, de tout l’équipement installé de façon permanente (fixe), du carburant inutilisable (résiduel), de l’huile non vidangeable, du liquide hydraulique et du lest fixe.
Pour garder une trace de l’équipement « fixe » que vous avez inclus dans le poids à vide, du moteur et de l’hélice aux pantalons de roues, créez une liste d’équipement. Vous devez peser votre avion dans sa configuration prête à voler, ce qui signifie que tous les capots, portes, verrières, etc. sont dans leur position de vol.
Avant de mettre l’avion sur la balance, assemblez tout l’équipement dont vous aurez besoin. Cela comprend les cales, les crics, l’équipement de mise à niveau, les fils à plomb, les lignes de craie, les rubans à mesurer, etc. Si nécessaire, construisez des rampes qui vous permettront de faire rouler votre avion sur la balance. Si votre avion est un taildragger, ayez un support compatible avec la roue de queue qui maintiendra la queue de votre avion dans une attitude de vol à niveau.
Lorsque vous choisissez un hangar dans lequel vous pesez votre avion afin qu’il soit à l’abri du vent, ce qui peut entraîner une précision moins que parfaite, assurez-vous que le hangar a un sol lisse parce que vous ferez quelques lignes de craie dessus. Si vos balances sont sur roues (ce qui est typique), assurez-vous qu’elles sont bien calées afin qu’elles ne bougent pas lorsque vous y ferez rouler votre avion. Lorsque l’avion est sur la balance, calez ses roues ; n’utilisez pas le frein de stationnement car cela introduit des erreurs. Assurez-vous de peser les cales de l’avion avant de peser l’avion.
Lorsque vous êtes sur la balance, assurez-vous que l’avion est dans une attitude de vol en palier afin que tous les composants soient à leur distance correcte du point de référence, ce qui donne les informations les plus précises. Utilisez la procédure de mise à niveau recommandée par le concepteur. Ensuite, enregistrez les poids indiqués par les trois balances (roue de nez ou roue de queue, principale gauche et principale droite)-et soustrayez ensuite le poids des cales de roues respectives.
Ne retirez pas votre avion de la balance après l’avoir pesé-vous devez mesurer l’emplacement exact de certains composants clés. La façon la plus simple et la plus précise d’y parvenir est d’utiliser un fil à plomb et une ligne de craie. Sur le sol, tracez une ligne à la craie parallèle à l’axe de l’avion. Utilisez un fil à plomb pour reporter les emplacements du point de référence et des autres composants sur la ligne de craie. Mesurez ensuite la distance entre les composants et le point de référence. Le concepteur doit inclure une liste des composants, et cette liste comprend généralement les sièges, les réservoirs de carburant, les zones de bagages et la roue principale et la roue de nez/queue.
Une bonne façon de s’assurer que vous enregistrez tous les poids et mesures requis est de créer un formulaire comme le tableau 1 ou 2. Lorsque les poids et/ou les numéros de bras requis sont remplis, vous en avez terminé – avec la pesée et la mesure. Il est maintenant temps de faire des calculs. (Pour vous faciliter la vie, créez les tableaux à l’aide d’un tableur, tel que Microsoft Excel, afin qu’il fasse les calculs pour vous. En outre, vous pouvez utiliser le tableur pour calculer le poids et le centrage de votre avion pour toujours. Tout ce que vous avez à faire est de brancher les chiffres pour les poids variables comme les passagers et les bagages.)
Les mathématiques de poids et de balance ne sont pas difficiles si vous vous souvenez du mantra W&B : le poids multiplié par le bras égale le moment. Le tableau 2 utilise des chiffres hypothétiques pour le RV-8, et après avoir calculé le moment pour chaque roue, vous additionnez les colonnes de poids et de moment. Pour trouver le centre de gravité du poids à vide, inversez le mantra W&B : divisez le moment total par le poids total. En procédant ainsi pour les chiffres du tableau 2, on obtient que l’EWCG du RV-8 est à 76,26 pouces du point de référence (81 525,64/1 069=76,26).
Vous remarquerez peut-être que l’EWCG tombe à l’extérieur de l’enveloppe établie du CG du RV-8 (78,70 à 86,82 pouces à l’arrière du point de référence), mais ce n’est pas grave car le RV ne volera pas sans pilote, sans carburant, sans huile, etc. Les poids de ces composants essentiels amèneront le CG à l’intérieur de l’enveloppe.
Lest
Dans la plupart des cas, si vous construisez votre avion selon les spécifications du concepteur et n’ajoutez pas beaucoup d’équipement lourd, le CG de votre avion devrait se situer dans l’enveloppe prescrite. Mais si vous apportez quelques modifications, ou si vous êtes plus grand ou plus petit que la personne moyenne, vous devrez peut-être ajouter du lest pour vous assurer que le CG reste en toute sécurité dans l’enveloppe.
Le lest ne signifie pas toujours l’ajout permanent de poids mort et sans valeur à votre avion. Essayez de relocaliser certains composants lourds, comme la batterie. Par exemple, si votre avion est trop lourd sur le nez et que la batterie est sous le capot, déplacez la batterie vers l’arrière. Jusqu’où ? Le manuel de masse et centrage de l’avion, FAA-H-8083-1, donne les formules requises et vous guide à travers elles.
Selon votre avion, dans certaines conditions de chargement, vous pouvez avoir besoin d’un lest temporaire pour déplacer le CG là où il doit être (à l’intérieur de l’enveloppe). La meilleure solution est d’ajouter ou de soustraire du poids dans la soute à bagages ou de modifier la position assise des passagers de poids différents (si possible).
Peser, mesurer et calculer avec précision le poids et le centrage de votre homebuilt est la première étape pour assurer un vol sûr, premier vol d’essai ou autre. Calculez les diverses conditions de chargement que vous pouvez rencontrer avec votre avion et préparez-les pour l’inspecteur de la FAA lorsqu’il inspectera votre avion.
N’oubliez pas que la documentation de masse et de centrage fait partie des documents qui doivent être à bord à tout moment. Elle doit indiquer le poids à vide, le CG à vide, les limites les plus avant et les plus arrière, ainsi que les chargements d’échantillons. (Le fabricant ou le concepteur du kit fournira les limites de CG avant et arrière et le poids brut maximal.)
Le chargement correct de l’avion dépend de vous, et il est absolument essentiel pour une utilisation sûre. Si vous n’êtes pas sûr que le CG est dans l’enveloppe de sécurité, prenez le temps de calculer et de vérifier son emplacement.
Références & Termes
Comme d’autres aspects de l’aviation, la masse et le centrage ont leur propre ensemble de termes, et ci-dessous sont les plus courants. Les définitions proviennent de l’Aircraft Weight and Balance Handbook de la FAA, récemment mis à jour, FAA-H-8083-1.
Dans huit chapitres bien illustrés, le manuel enseigne presque tout ce que les pilotes, les techniciens de maintenance – et les constructeurs de maisons – doivent savoir sur la masse et le centrage, de la théorie et de la documentation à une excellente description de la façon de peser et de chiffrer la masse et le centrage d’un avion. Il est disponible auprès de la plupart des magasins de fournitures pour pilotes et des sociétés de vente par correspondance.
Les autres bonnes références sont la brochure du programme de sécurité aérienne de la FAA, « Weight and Balance », FAA-P-8740-5, la circulaire consultative 43.13-1B de la FAA, Acceptable Methods, Techniques, and Practices-Aircraft Inspection and Repair, et l’Airframe and Powerplant Mechanics General Handbook de la FAA, AC 65-9A. Ces documents sont disponibles auprès du Government Printing Office et des Government Book Stores, et tous les documents et règlements de la FAA sont disponibles sur CD-ROM auprès de Summit Aviation à l’adresse www.summitaviation.com ou en appelant le 800/328-6280.
Bras-Aussi appelé bras de moment et généralement mesuré en pouces, il s’agit de la distance horizontale entre le point de référence et un élément, comme les sièges des passagers avant ou le compartiment à bagages arrière. Si le bras est mesuré à l’arrière du point de référence, le chiffre est précédé d’un signe plus (+) et tous les chiffres sont positifs si le point de référence se trouve sur le nez de l’avion. Si le point de référence est le bord d’attaque de l’aile, les mesures du bras en avant de ce point sont précédées d’un signe moins (-).
Centre de gravité (CG) – Le point auquel un avion s’équilibrerait s’il était suspendu à ce point. C’est le centre de la masse de l’aéronef et le point théorique où l’on suppose que le poids de l’aéronef est concentré. Sa distance par rapport au point de référence est déterminée en divisant le moment total par le poids total de l’aéronef.
Les limites du centre de gravité – Les emplacements extrêmes du CG avant et arrière (mesurés en pouces à partir du point de référence) à l’intérieur desquels l’aéronef doit être utilisé à un poids donné pour voler en toute sécurité.
Le centre de gravité à vide (EWCG) – Le CG d’un aéronef lorsqu’il ne contient que les éléments spécifiés dans le poids à vide de l’aéronef. Ce nombre ne sert à rien, sauf à être utilisé comme base pour les calculs de centre de gravité avec d’autres éléments ajoutés. Vous calculez ce nombre lorsque vous pesez l’aéronef.
Poids à vide – Le poids de la cellule, des moteurs, de tous les équipements installés de façon permanente (fixes), du carburant inutilisable (résiduel), de l’huile non vidangeable, du liquide hydraulique et du lest fixe.
Départ de nivellement – Un point sur la cellule où vous pouvez placer un niveau pour déterminer quand l’aéronef est parfaitement de niveau pour la pesée.
Poids brut maximal – Le poids maximal autorisé de l’aéronef et de tous ses équipements. Établi par le concepteur ou le fabricant du kit, c’est un poids recommandé que vous ne devez pas dépasser. La masse brute acrobatique est le poids maximal que la structure de l’aéronef peut supporter à la limite des 6 G de la catégorie des aéronefs acrobatiques.
Corde aérodynamique moyenne (MAC)-Distance moyenne entre le bord d’attaque et le bord de fuite de l’aile. Surtout utilisée pour les gros avions à aile en flèche, la MAC est la corde moyenne d’une aile imaginaire qui a les mêmes caractéristiques aérodynamiques que l’aile réelle, et le centre de gravité de l’avion est exprimé en pourcentage de la MAC, ce qui indique le CG par rapport à l’aile elle-même.
Moment – Force qui provoque ou tente de provoquer la rotation d’un objet. Cette force est mesurée en livres-pouces (lb/in) et est le produit du poids d’un objet multiplié par son bras. Par exemple, 200 livres de carburant situées à 40 pouces de la ligne de référence auront un moment de 8 000 lb/in. Le moment total est le poids de l’avion multiplié par la distance entre la ligne de référence et le CG.
La ligne de référence – Un plan ou une ligne verticale imaginaire à partir duquel toutes les distances horizontales (bras de moment) sont mesurées à des fins d’équilibre. Il n’y a pas de règle fixe concernant l’emplacement du point de référence. Habituellement, il se trouve sur le nez de l’avion (pointe de l’ailette) ou sur le bord d’attaque des ailes.
Station-Un emplacement le long du fuselage de l’avion, généralement mesuré en pouces à partir du point de référence.
Charge utile-La différence entre le poids à vide et le poids maximal de l’avion. Il s’agit du poids qu’un aéronef peut transporter en tant que carburant et huile utilisables, passagers et bagages.