A súly megfelelő elosztása nagy és fontos szerepet játszik egy repülőgép általános teljesítményében. Ha nem megfelelően terheli meg a repülőgépet, az hatással lesz az üzemanyag-fogyasztásra, a sebességre, az emelkedési sebességre, az irányíthatóságra, a belmagasságra, sőt még a szerkezeti integritásra is.
A saját repülőgép építése során a súly és az egyensúly meghatározása az első repülés előtt kritikus fontosságú az Ön biztonsága – és azoké, akik Önnel együtt fognak repülni. Fordítson gondosságot és minden szükséges időt a pontos súly- és egyensúlyszámok meghatározására.
A gyártott repülőgépekhez hasonlóan a saját építésű repülőgépeknek is pontos súly- és egyensúlyadatokkal kell rendelkezniük a tanúsításkor, és amikor az FAA megvizsgálja az elkészült projektet, az ellenőr látni akarja majd a súly- és egyensúlyadatokat.
A legtöbb készletgyártó és repülőgép-tervező nyújt némi segítséget a súly és egyensúly megadásához, megadva a repülőgép maximális bruttó tömegét, műrepülő bruttó tömegét (ha alkalmazható), az egyes rekeszek maximális poggyásztömegét, az elülső és hátsó súlypont (CG) határértékeit, a műrepülő súlypont tartományát és a vonatkoztatási pontot. Az Ön felelőssége, hogy a repülőgépére vonatkozó számokat megmérje és kiszámítsa.
Néhány tervező táblázatokat is biztosít mintasúly- és egyensúlyszámokkal, amelyek tipikus terhelési helyzeteket mutatnak. Ezek csak az Ön áttekintésére szolgálnak. Ne használja ezeket a saját repülőgépére, mert a súly- és egyensúlyszámok minden repülőgépnél mások, még akkor is, ha azonos gyártmányúak és típusúak.
Mennyire kell elmélyedni a súly- és egyensúlyszámokban? Elég mélyen ahhoz, hogy táblázatba foglalja a légialkalmassági bizonyítvány megszerzéséhez szükséges súly- és egyensúlyi adatokat – és ahhoz, hogy megfelelően megterhelje a repülőgépét. Mint parancsnokpilóta, a 91.7., Polgári légijárművek légialkalmassága című szövetségi légügyi szabályzat szerint Ön felelős annak meghatározásáért, hogy a légi járműve biztonságosan repülhet-e.
A légi jármű biztonságos repülésre való alkalmasságának meghatározásához hozzátartozik annak ellenőrzése, hogy a légi jármű a súly- és egyensúlyi határértékeken belül van-e, és nem lépi-e túl a maximális bruttó tömegét. Ezt nem tudja meghatározni a repülőgép súly- és egyensúlyszámának kiszámítása nélkül. A repülőgép súlya és egyensúlya nagy szerepet játszik abban is, hogy mennyire biztonságosan repül.
Teljesítmény & Biztonság
Milyen hatással lehet a súly és egyensúly egy repülőgépre? Ha egy repülőgép nehezebb a maximális össztömegénél, akkor a repülőgép…
– felszállási futása hosszabb lesz, mert a felszállási sebesség nagyobb lesz.
– emelkedési sebesség és emelkedési szög teljesítménye csökken.
– műrepülés közbeni terhelés túlzott lesz.
– utazósebessége csökken.
– utazó hatótávolsága rövidül.
– az üzemi magasság csökken.
– a manőverezőképesség csökken.
– a leszálló gurulás hosszabb lesz, mert a leszállási sebesség nagyobb lesz.
A repülőgép egyensúlya, a súlypont (CG) elhelyezkedése talán még kritikusabb a repülés biztonsága szempontjából, mert a súlypont elhelyezkedése befolyásolja a repülőgép stabilitását. A repülőgép súlypontja az a pont, ahol a repülőgép egyensúlyban lenne, ha egy drótra függesztenék, és ez az a pont, ahol feltételezhetően a repülőgép teljes súlya összpontosul (lásd az 1. ábrát).
1. ábra
A biztonság érdekében a súlypontnak meghatározott, a tervező által meghatározott határokon belül kell lennie. Mind az oldalirányú, mind a hosszirányú egyensúly fontos, de a hosszirányú egyensúly – ahol a súlypont az orr és a farok között van – az elsődleges szempont.
Ha a súlypont a megengedett határértékek között van, a repülőgép megfelelő stabilitással és irányíthatósággal rendelkezik. Ahogy a tömegközéppont a hátsó határ felé mozog, a magassági vezérlőnyomás kisebb lesz, ami megkönnyíti a kívántnál nagyobb állásszögre való elfordulást, ami áteséshez vezethet.
Ha a tömegközéppont a hátsó határon vagy előtte van, a magassági vezérlőnek orral lefelé kell rendelkeznie az átesésből való kilábaláshoz. Ha a tömegközéppont a hátsó határérték mögött van, akkor a magassági kormány valószínűleg nem rendelkezik az orr-lefelé irányítással az átesésből való kilábaláshoz. Ha a repülőgép hátsó tömegközépponttal pörgésbe kerül, akkor egy lapos pörgésbe kerülhet, amelyből valószínűtlen lenne a helyreállás.
Amint a tömegközéppont az elülső határ felé halad, a magassági kormány orr-felfelé vezérlő nyomása nagyobb lesz az orr-felfelé irányuló erők alkalmazásakor, és a vízszintes repülés fenntartásához több orr-felfelé irányuló magassági kormányra lesz szükség. Mivel a magassági kormány orr-felhajtó ereje csökken, ahogy a tömegközéppont előrefelé mozog, ha a tömegközéppont az elülső határérték előtt van, előfordulhat, hogy a magassági kormánynak nincs elegendő orr-felhajtó ereje a felszálláshoz szükséges forgáshoz – vagy a leszálláshoz szükséges fékezéshez.
A súly és egyensúly olyan kritikus a repülésbiztonság szempontjából, hogy az FAA repülésbiztonsági programja kizárólag erről készített egy dokumentumot (FAA-P-8740-5), amely a következőket tartalmazza:
“A repülőgép teljesítményét és kezelési jellemzőit a bruttó tömeg és a tömegközéppont határértékei befolyásolják. Ha minden pilóta megértené és tiszteletben tartaná ezt a tényt, az általános repülési balesetek száma drámaian csökkenhetne. Egy túlterhelt vagy nem megfelelően kiegyensúlyozott repülőgép nagyobb teljesítményt és nagyobb üzemanyag-fogyasztást igényel a repülés fenntartásához, és a stabilitás és az irányíthatóság súlyosan károsodik. A súly és az egyensúlynak a repülőgép teljesítményére gyakorolt hatásának meg nem becsülése, különösen olyan teljesítménycsökkentő tényezőkkel együtt, mint a nagy sűrűségű magasság, fagy vagy jég a szárnyakon, alacsony motorteljesítmény, súlyos vagy koordinálatlan manőverek és vészhelyzetek, számos baleset elsődleges tényezője.”
Súlyszámítás & Egyensúly
A súly és az egyensúly legjobb analógiája a kar és a támaszpont (gondoljunk a billegőre). Ha tökéletesen egyensúlyban van a támaszponton, akkor a kar teljesen vízszintes lesz. Bármilyen súly hozzáadása a karhoz felborítja az egyensúlyt, és az, hogy a súlynak mekkora hatása van, a karon való elhelyezkedésétől függ. Minél nagyobb a távolság a támaszponttól, annál nagyobb a hatása.
A kar egyensúlyának visszaállításához a támaszpont másik oldalára kell súlyt helyeznünk (lásd a 2. ábrát). A súly távolsága a támaszponttól a kar, és ha megszorozzuk a súlyt a karral, megkapjuk a súly nyomatékát, vagyis azt, hogy mekkora erőt fejt ki (erről később bővebben).
Hogy meggyőződjünk arról, hogy a repülőgép egyensúlyban van – hogy a súlypontja a határértékeken belül van -, a repülés előtt kiszámítjuk a súlyt és az egyensúlyt különböző konfigurációkra, hogy meghatározzuk a súlypont helyét, ami matematikai bizonyíték arra, hogy a repülőgép megfelelően van terhelve. Mivel a repülőgépedet építed, több állapotot is ki akarsz számolni, hogy tovább tudj számolni bizonyos terhelésekkel.
A bemutatott súly- és egyensúlyszámítások (1. táblázat) egy tipikus RV-8-asra vonatkoznak, és minden súly- és egyensúlyszámítás alapmantrája a következő: súly szorozva a karral egyenlő nyomaték. A helyeket az üzemanyag, a poggyász és az utasok súlyával kell kitölteni, majd ezeket megszorozni a karral, hogy megkapjuk az egyes elemek nyomatékát. (A repülőgép üres tömege, karja és nyomatéka állandó, és ezeket a saját építésű repülőgép mérlegelésekor határozza meg, amit a következőkben tárgyalunk.)
A lakóautó súlypontjának helyének meghatározásához adja össze a tömeg és a nyomaték oszlopok összegét. Ezután ossza el a teljes nyomatékot (141,827.74) a teljes súllyal (1,691), hogy megkapja a súlypont helyét (141,827.74/1,691=83.87).
Az RV-8 súlypont tartománya 78.70 és 86.82 hüvelyk között mozog a referenciaponttól hátrafelé, és 83.87 az előírt tartományba esik. Az RV maximális bruttó tömege 1800 font, tehát az 1,691 font az említett tartományon belül van. Ezekből a számításokból matematikailag igazoltuk a súly- és egyensúlyi adatainkat.
A súlypont helye felszálláskor nem biztos, hogy ugyanaz, mint leszálláskor, mert az elégetett üzemanyag megváltoztatja a súlyt az üzemanyagtartályok állomásán. Egyes repülőgépeknél a tömegközéppont az üzemanyag elfogyasztásával hátrafelé mozog, és ha a repülőgép egyéb súlyai nincsenek megfelelően terhelve, akkor a tömegközéppont a leszálláskor a hátsó határértéknél vagy attól hátrébb kerülhet.
Néhány egyszerű számítással meghatározhatja repülőgépe különböző terhelési forgatókönyveit. Olyan mintaterheléseket kell kiszámítania, amelyek ezeket a CG-helyeket eredményezik:
– Üres súlyponti terhelés
– Tipikus terhelés teljes üzemanyaggal
– Tipikus terhelés minimális üzemanyaggal
– A legelülső súlyponti terhelés
– A leghátsó súlyponti terhelés
– Maximális terhelés teljes üzemanyaggal
– Maximális terhelés repülés után minimális üzemanyaggal
A repülőgépétől függően, lehet, hogy más forgatókönyveket is hozzá kell adni. Például, ha a repülőgépet műrepülésre minősítették, akkor olyan terheléseket kell kiszámítani, amelyek műrepülésre alkalmas tömegközéppontot eredményeznek. Mindkét esetben egyszer kell kiszámítani a repülőgép üres súlypontját – kivéve, ha hozzáadja, kivonja vagy megváltoztatja a rögzített felszerelését, és akkor újra ki kell számolnia.
A repülőgép mérlegelése
A repülőgép üres súlyának és üres súlypontjának (EWCG) meghatározásához meg kell mérnie a repülőgépet. A repülőgép leméréséhez pedig be kell szereznie a megfelelő mérleget. Egyes építők fürdőszobai mérlegeket használnak, de tekintettel arra, hogy a pontos súly- és egyensúlyi adatok fontosak a repülőgép minden repülésének biztonsága szempontjából, kölcsönözzön vagy béreljen olyan platformmérlegeket, amelyeket a pontosság érdekében kalibráltak. (Bizonyára az ön és utasai biztonsága megéri a kölcsönzési díjat.)
A repülőgépeknél használt tipikus mérleg. Ha a mérleg kerekeken áll, győződjön meg róla, hogy azok biztonságosan be vannak rögzítve, hogy ne mozduljanak el, amikor a repülőgépet rájuk gurítja.
A hangárban, ahol a szél nem fújhat rá a repülőgépre és nem okozhat súlyingadozást, mérje meg a repülőgépet üres állapotban. Általában az “üres tömeg” a repülőgép vázának, a motoroknak, az összes állandóan beépített (fix) berendezésnek, a használhatatlan (maradék) üzemanyagnak, a le nem ereszthető olajnak, a hidraulikafolyadéknak és a fix ballasztnak a súlyát jelenti.
Az üres tömegbe beleszámított “fix” berendezésekről – a motortól a légcsavaron át a kerékagyakig – készítsen egy felszerelési listát. A repülőgépet repülésre kész állapotban kell megmérnie, ami azt jelenti, hogy az összes burkolat, ajtó, motorháztető stb. a repülés közbeni helyzetében van.
Mielőtt a repülőgépet a mérlegre teszi, szerelje össze az összes szükséges felszerelést. Ez magában foglalja az alátéteket, emelőket, szintezőberendezéseket, lúdtalpasokat, krétavonalakat, mérőszalagokat stb. Ha szükséges, építsen rámpákat, amelyek lehetővé teszik, hogy a repülőgépet a mérlegre gurítsa. Ha a repülőgépe farokszárnyas, rendelkezzen egy farokkerékkel kompatibilis állvánnyal, amely a repülőgép farokrészét vízszintes repülési helyzetben tartja.
Ha olyan hangárt választ, amelyben a repülőgép mérlegeléséhez a széltől védve van, ami a nem tökéletes pontosságot okozhatja, győződjön meg arról, hogy a hangárnak sima padlója van, mert azon krétavonalakat kell majd húznia. Ha a mérleg kerekeken áll (ez a jellemző), győződjön meg arról, hogy a mérlegek biztonságosan rögzítve vannak, hogy ne mozduljanak el, amikor a repülőgépet rájuk gurítja. Amikor a repülőgép a mérlegen van, rögzítse a kerekeit; ne használja a kéziféket, mert az hibákat okoz. Győződjön meg róla, hogy a repülőgép mérlegelése előtt mérlegeli a repülőgép bakjait.
A mérlegre helyezéskor győződjön meg arról, hogy a repülőgép vízszintes repülési helyzetben van, így minden alkatrész a megfelelő távolságban lesz a vonatkozási ponttól, ami a legpontosabb adatokat eredményezi. Használja a tervező által ajánlott szintezési eljárást. Ezután jegyezze fel a három mérleg által jelzett súlyokat (orr- vagy farokkerék, bal fő és jobb fő) – majd vonja le a megfelelő kerékbilincsek súlyát.
Ne vegye le a repülőgépet a mérlegelés után a mérlegről – meg kell mérnie bizonyos kulcsfontosságú alkatrészek pontos helyét. A legegyszerűbb és legpontosabb módja ennek a mérésnek egy függőleges mérőboton és egy krétavonal használata. Jelöljön ki a padlón egy krétavonalat, amely párhuzamos a repülőgép középvonalával. A referenciapont és a többi alkatrész helyét a krétavonalra a lúdtollal vigye át. Ezután mérje meg az alkatrészek távolságát a vonatkozási ponttól. A tervezőnek tartalmaznia kell az alkatrészek listáját, és ez a lista általában tartalmazza az üléseket, az üzemanyagtartályokat, a csomagtereket, valamint a fő- és orr/farkkereket.
Az 1. vagy 2. táblázathoz hasonló űrlap elkészítése jó módja annak, hogy biztosan rögzítse az összes szükséges súlyt és méretet. Ha a szükséges súlyokat és/vagy karszámokat kitöltötted, akkor végeztél – a mérlegeléssel és a mérésekkel. Most itt az ideje a matematikának. (Hogy még egyszerűbbé tegye az életét, készítse el a táblázatokat egy táblázatkezelő programmal, például a Microsoft Excel segítségével, így az elvégzi a matematikát Ön helyett. További előnye, hogy a táblázatkezelő segítségével örökre kiszámíthatja repülőgépe súlyát és egyensúlyát. Mindössze annyit kell tennie, hogy beilleszti a változó súlyok, például az utasok és a poggyászok számait.)
A súly és egyensúly matematikája nem nehéz, ha emlékszik a W&B mantrára: súly szorozva karral egyenlő pillanat. A 2. táblázat hipotetikus számokat használ az RV-8-ra, és miután kiszámította az egyes kerekek nyomatékát, összeadja a súly és a nyomaték oszlopokat. Az üres tömeg súlypontjának meghatározásához fordítsa meg a W&B mantrát: ossza el az össznyomatékot az össztömeggel. Ha ezt elvégezzük a 2. táblázatban szereplő számokkal, akkor azt kapjuk, hogy az RV-8 EWCG-je 76,26 hüvelykkel van a vonatkozási ponttól (81.525,64/1.069=76,26).
Megjegyezhetjük, hogy az EWCG kívül esik az RV-8 megállapított súlypontkörnyezetén (78,70 és 86,82 hüvelyk között a vonatkozási ponttól hátrafelé), de ez nem baj, mert az RV nem repül pilóta, üzemanyag, olaj stb. nélkül. Ezeknek az alapvető alkatrészeknek a súlya be fogja hozni a tömegközéppontot a burkolaton belülre.
Ballaszt
A legtöbb esetben, ha a tervező előírásai szerint építi meg a repülőgépét, és nem ad hozzá sok nehéz felszerelést, a repülőgép tömegközéppontjának az előírt burkolaton belülre kell esnie. Ha azonban valamilyen változtatást hajt végre, vagy nagyobb vagy kisebb az átlagosnál, akkor előfordulhat, hogy némi ballasztot kell hozzáadnia, hogy a tömegközéppont biztonságosan a burkolaton belül maradjon.
A ballaszt nem mindig jelenti azt, hogy a repülőgéphez állandóan halott, értéktelen súlyt kell hozzáadni. Próbálj meg áthelyezni néhány súlyos alkatrészt, például az akkumulátort. Ha például a repülőgéped túl orrnehéz, és az akkumulátor a motorháztető alatt van, helyezd át az akkumulátort hátrafelé. Milyen messzire? Az Aircraft Weight and Balance Handbook, FAA-H-8083-1, megadja a szükséges képleteket, és végigvezet rajtuk.
A repülőgépétől függően, bizonyos terhelési körülmények között szükség lehet némi ideiglenes ballasztra, hogy a súlypontot a megfelelő helyre (a burkolaton belülre) helyezze. A legjobb megoldás a csomagtérben lévő súly hozzáadása vagy kivonása, vagy a különböző súlyú utasok üléshelyzetének megváltoztatása (ha lehetséges).
A saját építésű repülőgép súlyának és egyensúlyának pontos mérése, mérése és kiszámítása az első lépés a biztonságos repülés biztosításához, akár az első próbarepülésről van szó, akár nem. Számítsa ki a különböző terhelési körülményeket, amelyekkel a repülőgépen találkozhat, és készítse elő azokat az FAA ellenőr számára, amikor az ellenőr megvizsgálja a repülőgépet.
Ne feledje, hogy a súly és mérleg dokumentáció része a papíroknak, amelyeknek mindig a fedélzeten kell lenniük. Ebben fel kell tüntetni az üres tömeget, az üres súlypontot, a legelöl és a leghátul lévő határértékeket és a mintaterhelést. (A készlet gyártója vagy tervezője megadja az elülső és hátsó súlyponthatárokat és a maximális össztömeget.)
A repülőgép megfelelő megrakása csak Önön múlik, és a biztonságos üzemeltetéshez elengedhetetlenül fontos. Ha nem vagy biztos benne, hogy a tömegközéppont a biztonsági határok között van-e, szánj időt arra, hogy kiszámítsd és ellenőrizd a helyét.
Hivatkozások & Kifejezések
A repülés más területeihez hasonlóan a súly és egyensúlyozásnak is megvannak a maga kifejezései, az alábbiakban a leggyakoribbak. A meghatározások az FAA nemrégiben frissített Aircraft Weight and Balance Handbook (FAA-H-8083-1) című kézikönyvéből származnak.
A kézikönyv nyolc jól illusztrált fejezetben szinte mindent megtanít a pilótáknak, a karbantartó technikusoknak – és az otthon építőknek -, amit a súlyról és az egyensúlyról tudni kell, az elmélettől és a dokumentációtól a súlyról és egy repülőgép súlyának és egyensúlyának kiszámításáról szóló kiváló “hogyan kell” leírásig. A legtöbb pilótaellátó üzletben és csomagküldő cégnél kapható.
Más jó referenciák a FAA repülésbiztonsági programjának “Súly és egyensúly” című brosúrája, FAA-P-8740-5, a 43.13-1B FAA tanácsadó körlevél, Acceptable Methods, Techniques, and Practices-Aircraft Inspection and Repair, és a FAA Airframe and Powerplant Mechanics General Handbook, AC 65-9A. Ezek a dokumentumok beszerezhetők a Kormányzati Nyomdában és a kormányzati könyvesboltokban, és az összes FAA-dokumentum és -rendelet CD-ROM-on is elérhető a Summit Aviation cégtől a www.summitaviation.com címen vagy a 800/328-6280-as telefonszámon.
Kar – Más néven Moment Arm, általában hüvelykben mérve, a vonatkoztatási pont és egy elem, például az első utasülések vagy a hátsó csomagtér közötti vízszintes távolságot jelenti. Ha a kart a vonatkozási ponttól hátrafelé mérik, akkor a szám előtt egy plusz (+) jel szerepel, és minden szám pozitív, ha a vonatkozási pont a repülőgép orrán van. Ha az adatpont a szárny elülső éle, akkor az ettől a ponttól előrébb mért karok előtt mínusz (-) jel szerepel.
Súlypont (CG) – Az a pont, ahol a repülőgép egyensúlyban lenne, ha azon a ponton függesztenék fel. Ez a repülőgép tömegének középpontja és az az elméleti pont, ahol a repülőgép súlya feltételezhetően összpontosul. A vonatkoztatási ponttól való távolságát úgy határozzák meg, hogy a teljes nyomatékot elosztják a légi jármű teljes tömegével.
Gravitációs középpont határértékek – Azok a szélsőséges első és hátsó súlypontok (hüvelykben mérve a vonatkoztatási ponttól), amelyeken belül a légi járművet egy adott tömeggel üzemeltetni kell a biztonságos repüléshez.
Örtömeg súlypont (EWCG) – A légi jármű súlypontja, ha csak a légi jármű üres tömegében meghatározott elemeket tartalmazza. Ez a szám csak arra szolgál, hogy más elemek hozzáadásával a súlypont-számítások alapjául szolgáljon. Ezt a számot a légi jármű mérlegelésekor kell kiszámítani.
Üres tömeg – A repülőgép vázának, hajtóműveinek, az összes állandóan beépített (rögzített) berendezésnek, a használhatatlan (maradék) üzemanyagnak, a le nem ereszthető olajnak, a hidraulikafolyadéknak és a rögzített ballasztnak a tömege.
Nivellálási pont – A repülőgép vázának egy olyan pontja, ahová vízmértéket lehet elhelyezni annak meghatározására, hogy a repülőgép a mérlegeléshez tökéletesen vízszintes legyen.
Maximális bruttó tömeg – A légi jármű és az összes berendezés megengedett legnagyobb tömege. A tervező vagy a készlet gyártója által meghatározott ajánlott súly, amelyet nem szabad túllépni. A műrepülő bruttó súly az a maximális súly, amelyet a repülőgép szerkezete elbír az akrobatikus repülőgép kategória 6-G határértékénél.
Megfelelő aerodinamikai akkord (MAC)-A szárny elülső élétől a szárny hátulsó éléig terjedő átlagos távolság. Többnyire nagyméretű, lengőszárnyas repülőgépeknél használják, a MAC egy képzeletbeli szárny átlagos húrja, amely a tényleges szárny aerodinamikai jellemzőivel azonos, és a repülőgép súlypontját a MAC százalékában fejezik ki, ami a szárnyhoz viszonyított súlypontot jelzi.
Momentum – Olyan erő, amely egy tárgy forgását okozza vagy próbálja okozni. Ezt az erőt font hüvelykben (lb/in) mérik, és a tárgy súlyának és karjának szorzata. Például egy 200 font súlyú üzemanyag, amely 40 hüvelyknyire van az alapvonaltól, 8 000 lb/in nyomatékkal rendelkezik. A teljes nyomaték a repülőgép súlyának és a vonatkozási pont és a tömegközéppont közötti távolság szorzata.
Referenciapont – Egy képzeletbeli függőleges sík vagy vonal, amelytől minden vízszintes távolságot (nyomatékkarokat) mérnek egyensúlyozási célokra. A vonatkoztatási pont helyére vonatkozóan nincs rögzített szabály. Általában a repülőgép orrán (a spinner pontján) vagy a szárnyak elülső élén van.
Álláspont-A repülőgép törzse mentén elhelyezkedő hely, általában hüvelykben mérve a vonatkozási ponttól.
Haszonterhelés-A repülőgép üres és maximális tömege közötti különbség. Ez az a tömeg, amelyet a légi jármű használható üzemanyagként és olajként, utasokként és poggyászként el tud szállítani.