適切な重量配分は、航空機の総合性能に大きな重要な役割を果たします。
自分の飛行機を作るとき、最初の飛行の前にその重量とバランスを決定することは、あなたの安全とあなたと一緒に飛ぶ人々の安全にとって重要です。
市販機と同様に、自作機も認証の際には正確な重量とバランスのデータが必要で、FAAがあなたの完成したプロジェクトを審査する際には、検査官はあなたの重量とバランスの書類を見たいと思うはずです。
ほとんどのキットメーカーや航空機設計者は、飛行機の最大総重量、曲技飛行用総重量（該当する場合）、各コンパートメントの最大荷物重量、前方および後方の重心（CG）制限、曲技飛行用CG範囲、基準点を提供することによって、重量とバランスの援助を提供しています。
いくつかの設計者は、典型的な積載状況を示すサンプル重量とバランス数値の表も提供しています。 これらはあくまで検討用です。
重量とバランスは、同じメーカーやモデルでも飛行機によって違うので、自分の飛行機には使わないでください。 耐空証明を取得するために必要な重量とバランスのデータを集計し、航空機に適切に搭載するために必要な深さです。 連邦航空規則91.7「民間航空機の耐空性」では、指揮をとるパイロットとして、航空機が安全に飛行できるかどうかを判断する責任があります。
航空機の安全飛行に対する適合性の判断の一部として、その重量とバランスの制限内にあること、最大総重量を超えていないことを確認します。 飛行機の重量とバランスの数値を計算しなければ、それを判断することはできません。
性能 & 安全性
重量とバランスは航空機にどのような影響を与えるのでしょうか。 飛行機が最大総重量より重いと…
– 離陸速度が速くなるので離陸滑走距離が長くなる
– 上昇率や上昇角の性能が落ちる
– 曲技飛行中の負荷が大きくなる
– 巡航速度が落ちる
– 航続距離が短くなる。
– サービスシーリングが低くなる。
– 機動性が低下する。
– 着陸速度が速くなるので、着陸ロールが長くなる。
飛行機の重心位置は、飛行機の安定性に影響するので、飛行安全にはさらに重要であろう。 飛行機の重心とは、飛行機がワイヤーで吊るされたときにバランスをとる点であり、飛行機の総重量が集中すると想定される点である（図1参照）。
Figure 1
安全のためには、設計者によって決められた、特定の限度内で重心を保つ必要がある。 横方向と縦方向のバランスは重要だが、縦方向のバランス（CGが機首と尾翼の間にあること）が最も重要である。
CGが後方限界に近づくと、エレベーターの制御圧力が軽くなり、必要以上に高い迎え角へ回転しやすくなり、失速の原因となることがあります。 もしCGがその後方限界より後ろにある場合、エレベーターはおそらく失速から回復するためのノーズダウンの権限を持っていないでしょう。
CGが前方限界に近づくと、ノーズアップ力を加えるときにエレベーターのノーズアップ制御圧力が重くなり、水平飛行を維持するためにもっとノーズアップエレベーターが必要となる。
重量とバランスは飛行の安全性にとって非常に重要であるため、FAA航空安全プログラムはそれに関する文書（FAA-P-8740-5）を作成し、次のように述べています。「飛行機の性能と操縦特性は総重量と重心の制限に影響されます。 もしすべてのパイロットがこの事実を理解し尊重するならば、一般的な航空事故は劇的に減少する可能性があります。 過負荷や不適切なバランスの航空機は、飛行を維持するためにより多くのパワーとより多くの燃料消費を必要とし、安定性と制御性に深刻な影響を与える。 特に高密度高度、翼の霜や氷、低いエンジン出力、厳しい操縦や協調性のない操縦、緊急事態などの性能を低下させる要因との組み合わせで、重量とバランスが航空機の性能に与える影響を理解していないことが、多くの事故の主要因になっています」
Calculating Weight & Balance
重量とバランスの最も良い例えがレバーと支点（ティート・トッターと同じ）である。 支点で完全にバランスが取れていれば、レバーは完全に水平になります。 重さを加えるとバランスが崩れますが、重さがどの程度影響するかは、レバーの位置によって決まります。 5691＞＜710＞レバーのバランスを取り戻すには、支点の反対側に重りを加える必要があります（図2参照）。 重りが支点から離れる距離が腕で、重りに腕をかけると、重りのモーメント、つまりどれだけの力を発揮するかがわかる（これについては後述）。
ここで紹介する重量とバランスの計算（表1）は、典型的なRV-8の場合ですが、すべての重量とバランスの計算の基本は、重量に腕をかけたらモーメントになる、ということです。 空欄に燃料、荷物、乗員の重量を適当に記入し、それにアームを掛けて各項目のモーメントを求めます。 (航空機の空虚重量、アーム、モーメントは一定で、次に述べる自作機の計量の時に決めます。)
RVの重心位置を決めるには、重量とモーメントの欄の合計を足します。 5691>
RV-8の重心位置の範囲は基準点後方78.70〜86.82インチで、83.87インチはこの範囲に含まれます。 RVの最大総重量は1,800ポンドですから、1,691ポンドはその範囲に入ります。 5691>
燃料を燃やすと燃料タンクの位置で重量が変わるので、離陸時と着陸時のCGの位置は同じとは限りません。 航空機によっては、燃料が消費されるとCGが後方に移動し、航空機内の他の重量が適切に積載されていない場合、着陸時にCGが後方の限界にあるか遅れている可能性があります。
いくつかの簡単な計算で、あなたの飛行機の異なる積載シナリオを決定できます。 このようなCGの位置になるような荷重のサンプルを計算したいと思うでしょう。
– 空虚重量CG
– 燃料満タン時の標準荷重
– 燃料最小時の標準荷重
– 最前方CG荷重
– 最後方CG荷重
– 燃料満タンの最大荷重
– 飛行後の最小燃料での最大荷重
飛行機によって異なる場合があります。 は、他のシナリオを追加することもできます。 例えば、曲技飛行に適した飛行機であれば、曲技飛行に適した重心位置となるような荷重を計算します。
Weighing Your Airplane
飛行機の空虚重量と空虚重量重心（EWCG）を決定するには、飛行機の重量を測定する必要があります。 そして、飛行機の重さを量るには、適切な秤を入手する必要があります。 製作者の中には、風呂場で使う人もいますが、正確な重量とバランスの情報は、飛行機で飛行するときの安全にとって重要ですので、精度の校正された台秤を借りるか、レンタルしてください。 (確かにあなたと乗客の安全にはレンタル料を払う価値があります。)
航空機に使われる典型的なスケールです。 キャスター付きの場合は、飛行機を乗せても動かないようにしっかりとチョッキングしてください。
風が当たらない格納庫で、飛行機を空の状態で計量してください。 一般的に「空虚重量」とは、機体、エンジン、すべての恒久的に設置された（固定）機器、使用できない（残留）燃料、排出できないオイル、作動油、固定バラストの重量を意味します。
エンジンや支柱からホイールパンツまで、どの「固定」機器が空虚重量に含まれているかを把握するには、機器一覧表を作成することです。 飛行機を秤に乗せる前に、必要な装備をすべて組み立てておく。 これにはチョック、ジャッキ、水平器、プランブボブ、チョークライン、メジャーテープなどが含まれる。 必要であれば、飛行機をスケール上に転がすためのスロープも作っておきます。
飛行機の重さを量る格納庫を選ぶとき、風を避けるため、完璧な精度ではないことがありますが、チョークラインを引くことになるので、格納庫の床が滑らかであることを確認してください。 また、ハンガーの床が平滑であることを確認してください。 飛行機をはかりに乗せるときは、車輪にチョークをかけ、パーキングブレーキは誤差を生むので使わないでください。
体重計に乗ったら、飛行機が水平飛行姿勢であることを確認し、すべての部品が基準点から正しい距離にあることを確認することで、最も正確な情報が得られます。 設計者が推奨する水平飛行の手順を使用します。
飛行機の重量を測った後、秤から離さないでください。 そのためには、プラムボブとチョークラインを使うのが最も簡単で正確な方法です。 床面に飛行機の中心線に平行なチョークラインを引きます。 プラムボブを使用して、基準データムやその他の部品の位置をチョークラインに移動させます。 その後、基準点からの部品の距離を測定する。 設計者は部品のリストを含めるべきで、このリストには通常、座席、燃料タンク、荷物エリア、主翼と機首/尾翼が含まれる。
必要な重量と測定をすべて確実に記録する良い方法は、表1または2のようなフォームを作成することである。 必要な重量や腕の数が記入されたら、重量測定は終了です。 あとは計算するだけです。 (Microsoft Excelなどの表計算ソフトで表を作成すると、計算が楽になります。 さらに、この表計算ソフトを使えば、あなたの飛行機の重量とバランスを永遠に計算し続けることができるのです。 5691>
重量とバランスの計算は、W&Bのマントラ、すなわち重量×腕＝モーメントを覚えていれば難しくありません。 表2はRV-8の仮想の数字で、各車輪のモーメントを計算した後、重量とモーメントの欄を合計したものである。 空車重心は、W&Bの逆で、モーメントの合計を総重量で割って求めます。 表2の数値で計算すると、RV-8のEWCGは基準点から76.26インチ（81,525.64/1,069=76.26）です。
EWCGはRV-8の定める重心範囲（基準点から78.70〜86.82インチ後方）外ですが、パイロットと燃料、オイルなど無しでは飛行しないので問題ないでしょう。 5691>
Ballast
ほとんどの場合、設計者の仕様通りに飛行機を作り、重い装置をあまり付けなければ、飛行機のCGは規定の範囲内に収まるはずです。
バラストとは、必ずしも死んだような無価値な重量を永久に飛行機に追加することではありません。
バラストは、必ずしも飛行機に対して永久に死んだような無価値な重量を加えることを意味するわけではありません。 例えば、飛行機がノーズヘビーでバッテリーがカウリングの下にある場合、バッテリーを後方に移動させます。 どの程度？ Aircraft Weight and Balance Handbook, FAA-H-8083-1 に必要な計算式が載っていますので、それを参考にします。
飛行機によっては、荷重条件によっては、重心をあるべき場所（エンベロープ内）に移動するために、一時的にバラストが必要な場合があります。
自作機の重量とバランスを正確に計量、測定、計算することは、最初のテスト飛行であろうとなかろうと、安全な飛行を保証するための第一歩です。 あなたの飛行機で遭遇する可能性のある様々な負荷条件を計算し、FAAの検査官があなたの飛行機を検査するときに用意してください。
重量とバランスの文書は、常にボード上にある必要があります書類の一部であることを忘れないでください。 それは空虚重量、空虚重量CG、最も前方と最も後方の制限、およびサンプルロードを表示する必要があります。 (キットメーカーや設計者は、前方および後方のCG限界と最大総重量を提供します。)
航空機に正しく積み込むことはあなた次第であり、安全な運航には絶対に必要なことなのです。
参考文献 & Terms
航空の他の側面と同様に、重量とバランスには独自の用語があり、以下はより一般的なものである。
このハンドブックは、よく描かれた8つの章からなり、理論や資料から、重量や航空機の重量バランスを計算する優れたハウツーまで、パイロットや整備士、ホームビルダーが重量とバランスについて知る必要のあるほとんど全てを教えています。 5691>
他の良い参考文献はFAA Aviation Safety Program pamphlet, “Weight and Balance”, FAA-P-8740-5, FAA Advisory Circular 43.13-1B, Acceptable Methods, Techniques, and Practices-Aircraft Inspection and Repair, and the FAAの Airframe and Powerplant Mechanics General Handbook, AC 65-9A があります。 これらの文書はGovernment Printing OfficeやGovernment Book Storeで入手でき、全てのFAAの文書や規則はSummit AviationからCD-ROMで www.summitaviation.com もしくは800/328-6280で入手できます。
Arm-Alent Armとも呼ばれ、通常インチで計測され、基準点から助手席や後部荷物室のようなアイテムまでの水平距離のことです。 基準点より後方で測定した場合、数値の前にプラス（＋）記号が付き、基準点が飛行機の機首にある場合は、すべての数値がプラスになる。
Center of Gravity (CG)-航空機がその点で吊るされた場合にバランスを取る点。 航空機の質量の中心であり、航空機の重量が集中すると想定される理論上の点である。
Center of Gravity Limits-航空機が安全に飛行するために、与えられた重量で操作しなければならない極端な前方および後方の重心位置（基準点からインチで測定）
Empty-Weight Center of Gravity (EWCG) -航空機の空の重量で指定されたものだけを含むときの航空機の重心位置。 この数値は、他のアイテムを追加した場合の重心計算の基準として使用する以外には、何の役にも立たない。
Empty Weight-機体、エンジン、すべての固定装備、使用できない燃料、排出できないオイル、油圧液、固定バラストの重量。
Leveling Datum-機体上のポイントで、機体が完全に水平になっているかを判断するために水準器を置いて重量を量ります。 設計者やキットメーカーによって設定され、超えてはいけない推奨重量です。
Mean Aerodynamic Chord (MAC)-主翼の前縁から後縁までの平均距離。 主に大型の掃射翼の航空機に用いられる。MACは実際の翼と同じ空力特性を持つ架空の翼の平均弦で、航空機の重心はMACに対する割合で表され、翼自体に対する重心を示す。
Moment-物体を回転させる、あるいはさせようとしている力。 この力はポンドインチ（lb/in）で測定され、物品の重量にその腕を掛けた積である。 例えば、200ポンドの燃料が基準線から40インチのところにある場合、8,000 lb/inのモーメントを持つことになる。
Reference Datum-An imaginary vertical plane or line which all horizontal distances (moment arms) are measured for balance purposes. データムの位置には決まった決まりはない。
Station-航空機の胴体に沿った位置で、通常は基準点からインチ単位で測定される。
UsefulLoad-航空機の空虚重量と最大重量との差分。 航空機が使用可能な燃料やオイル、乗客、手荷物として運ぶことができる重量です。