De juiste gewichtsverdeling speelt een grote en belangrijke rol bij de algehele prestaties van een vliegtuig. Als u uw vliegtuig verkeerd belaadt, heeft dit gevolgen voor het brandstofverbruik, de snelheid, de stijgsnelheid, de bestuurbaarheid, het plafond en zelfs de structurele integriteit.
Wanneer u uw eigen vliegtuig bouwt, is het bepalen van het gewicht en de balans vóór de eerste vlucht van cruciaal belang voor uw veiligheid – en de veiligheid van degenen die met u gaan vliegen. Neem zorgvuldigheid en alle tijd die nodig is om nauwkeurige gewicht en balans nummers te bepalen.
Net als productie vliegtuigen, thuisbouwers moeten accurate gewicht en balans gegevens hebben wanneer ze worden gecertificeerd, en wanneer de FAA uw voltooide project onderzoekt, zal de inspecteur uw gewicht en balans papierwerk willen zien.
De meeste bouwpakkettenfabrikanten en vliegtuigontwerpers bieden enige hulp bij gewicht en balans door het maximale brutogewicht van het vliegtuig, het aerobatic brutogewicht (indien van toepassing), het maximale bagagegewicht voor elk compartiment, de voorwaartse en achterwaartse zwaartepuntlimieten (CG), het aerobatic CG-bereik, en het referentiepunt voor het referentiepunt te verstrekken. Het is uw verantwoordelijkheid om de getallen voor uw vliegtuig te wegen en te berekenen.
Veel ontwerpers leveren ook tabellen met voorbeeld gewicht en balans getallen die typische beladingssituaties laten zien. Deze zijn alleen voor uw beoordeling. Gebruik ze niet voor uw vliegtuig, omdat de gewichts- en balansgetallen voor elk vliegtuig anders zijn, zelfs als ze van hetzelfde merk en model zijn.
Hoe diep moet u zich in gewicht en balans verdiepen? Diep genoeg om de gewicht- en balansgegevens te berekenen die nodig zijn om uw luchtwaardigheidscertificaat te krijgen – en om uw vliegtuig goed te beladen. Als gezagvoerder bent u op grond van Federal Aviation Regulation 91.7, Civil Aircraft Airworthiness, verantwoordelijk voor het bepalen of uw vliegtuig veilig is om te vliegen.
Een deel van uw bepaling van de geschiktheid van een vliegtuig voor een veilige vlucht is ervoor te zorgen dat het binnen zijn gewichts- en balanslimieten blijft en dat het zijn maximale brutogewicht niet overschrijdt. U kunt dat niet bepalen zonder de gewichts- en zwaartepuntsgetallen van uw vliegtuig te berekenen. Het gewicht en de balans van uw vliegtuig spelen ook een grote rol in hoe veilig het vliegt.
Prestaties & Veiligheid
Welke effecten kunnen gewicht en balans hebben op een vliegtuig? Als een vliegtuig zwaarder is dan zijn maximale brutogewicht, zal de…
– startaanloop langer zijn omdat de startsnelheid hoger zal zijn.
– stijgsnelheid en klimhoekprestaties zullen verminderen.
– belasting tijdens stuntvliegen zal buitensporig zijn.
– kruissnelheid zal verminderen.
– kruipbereik zal worden verkort.
– het dienstplafond zal worden verlaagd.
– de wendbaarheid zal worden verminderd.
– de landingsrol zal langer zijn omdat de landingssnelheid hoger zal zijn.
De balans van een vliegtuig, de plaats waar het zwaartepunt (CG) zich bevindt, is misschien nog wel belangrijker voor de veiligheid van de vlucht omdat de plaats van het zwaartepunt de stabiliteit van het vliegtuig beïnvloedt. Het zwaartepunt van een vliegtuig is het punt waar het vliegtuig in evenwicht zou zijn als het aan een draad zou worden opgehangen, en het is het punt waarop het totale gewicht van het vliegtuig wordt verondersteld te zijn geconcentreerd (zie figuur 1).
Figuur 1
Voor de veiligheid moet het zwaartepunt binnen specifieke grenzen liggen, zoals bepaald door de ontwerper. Zowel lateraal als longitudinaal evenwicht is belangrijk, maar longitudinaal evenwicht – waar het zwaartepunt zich tussen de neus en de staart bevindt – is de eerste zorg.
Als het zwaartepunt zich tussen de toelaatbare grenzen bevindt, zal het vliegtuig voldoende stabiliteit en controle hebben. Als het zwaartepunt zich in de richting van de achterste begrenzing beweegt, wordt de druk op het hoogteroer lichter, waardoor het gemakkelijker wordt om naar een grotere dan de gewenste invalshoek te draaien, wat tot een overtrek kan leiden.
Als het zwaartepunt zich op of vóór de achterste begrenzing bevindt, moet het hoogteroer de autoriteit hebben om met de neus omlaag uit een overtrek te komen. Als het zwaartepunt achter de achterste begrenzing ligt, heeft het hoogteroer waarschijnlijk niet de autoriteit om de neus omlaag te duwen om uit de overtrokken toestand te komen.
Als het zwaartepunt naar de voorste limiet verschuift, wordt de neus-omhoog-regeldruk van het hoogteroer zwaarder bij het uitoefenen van neus-omhoog-krachten, en hebt u meer neus-omhoog-hoog-hoogteroer nodig om vlak te blijven vliegen. Omdat de neus-omhoog autoriteit van het hoogteroer afneemt naarmate het zwaartepunt naar voren beweegt, als het zwaartepunt voor zijn voorste grens ligt, kan het hoogteroer niet voldoende neus-omhoog autoriteit hebben om te roteren voor de start of om te flare-en om te landen.
Gewicht en balans zijn zo kritisch voor de veiligheid van de vlucht dat het FAA Aviation Safety Program een document (FAA-P-8740-5) heeft gemaakt dat er alleen over gaat, en het biedt het volgende:
“Vliegtuigprestaties en hanteringskenmerken worden beïnvloed door het brutogewicht en de zwaartepuntlimieten. Als iedere piloot dit feit zou begrijpen en respecteren, zouden ongelukken in de algemene luchtvaart drastisch kunnen worden verminderd. Een overbeladen of niet goed uitgebalanceerd vliegtuig zal meer vermogen en een hoger brandstofverbruik nodig hebben om te kunnen blijven vliegen, en de stabiliteit en bestuurbaarheid zullen ernstig worden aangetast. Gebrek aan waardering voor de effecten van gewicht en balans op de prestaties van vliegtuigen, in het bijzonder in combinatie met zulke prestatieverminderende factoren als hoge dichtheid, vorst of ijs op de vleugels, laag motorvermogen, zware of ongecoördineerde manoeuvres, en noodsituaties, is een hoofdfactor in veel ongevallen.”
Berekenen van gewicht & Balans
De beste analogie van gewicht en balans is een hefboom en een draaipunt (denk aan een wipwap). Indien perfect in balans op het steunpunt, zal de hefboom absoluut horizontaal zijn. Het toevoegen van enig gewicht aan de hefboom verstoort het evenwicht, en hoeveel invloed het gewicht heeft hangt af van de plaats op de hefboom. Hoe groter de afstand tot het scharnierpunt, hoe groter de invloed.
Om het evenwicht van de hefboom te herstellen, moet aan de andere kant van het scharnierpunt een gewicht worden aangebracht (zie figuur 2). De afstand tussen het gewicht en het draaipunt is de arm, en als je het gewicht vermenigvuldigt met de arm, krijg je het moment van het gewicht, of hoeveel kracht het uitoefent (hierover later meer).
Om er zeker van te zijn dat je vliegtuig in balans is – dat het zwaartepunt binnen de grenzen ligt – bereken je voor de vlucht het gewicht en het zwaartepunt voor verschillende configuraties om de plaats van het zwaartepunt te bepalen, het wiskundige bewijs dat je vliegtuig goed is beladen. Omdat je je vliegtuig aan het bouwen bent, zul je verschillende condities willen berekenen om je in staat te stellen bepaalde belastingen verder te berekenen.
De gepresenteerde gewichts- en balansberekeningen (Tabel 1) zijn voor een typische RV-8, en de basis mantra voor alle gewichts- en balansberekeningen is: gewicht vermenigvuldigd met arm is gelijk aan moment. Je vult de velden in met de gewichten van de brandstof, de bagage en de inzittenden, en vermenigvuldigt ze dan met de arm om het moment van elk item te krijgen. (Het leeggewicht, de arm, en het moment voor uw vliegtuig zijn constant, en u bepaalt ze wanneer u uw zelfbouwer weegt, wat we hierna zullen bespreken.)
Om de plaats van het zwaartepunt van de camper te bepalen, telt u de totalen van de gewicht- en momentkolommen bij elkaar op. Deel vervolgens het totale moment (141.827,74) door het totale gewicht (1.691) om de locatie van het zwaartepunt te krijgen (141.827,74/1.691=83,87).
Het zwaartepuntbereik van de RV-8 loopt van 78,70 tot 86,82 inch achter het referentiepunt, en 83,87 valt binnen de voorgeschreven enveloppe. Het maximum bruto gewicht van de RV is 1800 pond, dus 691 pond valt binnen dat bereik. Uit deze berekeningen hebben we onze gewichts- en balansgegevens wiskundig bewezen.
De plaats van het zwaartepunt bij het opstijgen is misschien niet dezelfde als bij het landen, omdat de verbrande brandstof het gewicht op de plaats van de brandstoftanks verandert. In sommige vliegtuigen beweegt het zwaartepunt naar achteren als brandstof wordt verbruikt, en als de andere gewichten in het vliegtuig niet goed zijn geladen, kan het zwaartepunt op of achter zijn achterste limiet liggen als het tijd is om te landen.
Met een paar eenvoudige berekeningen kunt u verschillende beladingsscenario’s voor uw vliegtuig bepalen. U zult willen berekenen steekproef belastingen die resulteren in deze CG locaties:
– Leeggewicht zwaartepunt
– Typische belading met volle brandstof
– Typische belading met minimale brandstof
– Meest voorwaartse zwaartepuntbelasting
– Meest achterwaartse zwaartepuntbelasting
– Maximale belading met volle brandstof
– Maximale belading na de vlucht met minimale brandstof
Afhankelijk van uw vliegtuig, wilt u misschien andere scenario’s toevoegen. Bijvoorbeeld, als uw vliegtuig voor stuntvliegen wordt geschat, zou u ladingen willen berekenen die resulteren in CG plaatsen geschikt voor stuntvliegen. In beide gevallen berekent u het leeggewicht zwaartepunt van uw vliegtuig eenmaal – tenzij u vaste uitrusting toevoegt, verwijdert of wijzigt, en dan moet u het opnieuw berekenen.
Het wegen van uw vliegtuig
Om het leeggewicht en het leeggewicht zwaartepunt (EWCG) van uw vliegtuig te bepalen, moet u het wegen. En om uw vliegtuig te wegen, moet u de juiste weegschalen hebben. Sommige bouwers gebruiken een weegschaal in de badkamer, maar gezien het belang van nauwkeurige informatie over gewicht en balans voor de veiligheid van elke vlucht die je met het vliegtuig maakt, leen of huur een platformweegschaal die is gekalibreerd voor nauwkeurigheid. (Zeker de veiligheid van u en uw passagiers is de huurprijs waard.)
Een typische weegschaal die voor vliegtuigen wordt gebruikt. Als uw weegschaal op wielen staat, zorg er dan voor dat deze stevig is vastgezet, zodat ze niet verschuift wanneer u uw vliegtuig erop rolt.
In een hangar, waar de wind niet op het vliegtuig kan blazen en geen schommelingen in het gewicht kan veroorzaken, weegt u uw vliegtuig in lege toestand. In het algemeen wordt onder “leeggewicht” verstaan: het gewicht van het casco, de motoren, alle permanent geïnstalleerde (vaste) uitrusting, onbruikbare (rest)brandstof, niet-aftapbare olie, hydraulische vloeistof en vaste ballast.
Om bij te houden welke “vaste” uitrusting u hebt meegerekend in het leeggewicht, van motor en prop tot wielbroek, maakt u een uitrustingslijst. U moet uw vliegtuig wegen in zijn klaar om te vliegen configuratie, wat betekent dat alle cowlings, deuren, luifels, enz. zijn in hun in-flight posities.
Voordat u het vliegtuig op de weegschaal zet, assembleer alle apparatuur die u nodig zult hebben. Dit omvat keggen, krikken, nivellering apparatuur, schietlood bobs, krijt lijnen, meetlinten, enz. Indien nodig, bouw hellingen waarmee je je vliegtuig op de weegschaal kunt rollen. Als uw vliegtuig is een taildragger, hebben een staartwiel compatibel stand die uw vliegtuig staart zal houden in een level-flight attitude.
Wanneer het kiezen van een hangar waarin u uw vliegtuig te wegen, zodat het uit de wind, die kan leiden tot minder dan perfecte nauwkeurigheid, zorg ervoor dat de hangar heeft een gladde vloer, omdat je zal worden het maken van een aantal krijtlijnen op het. Als de weegschalen op wielen staan (dit is gebruikelijk), zorg er dan voor dat ze goed vastzitten, zodat ze niet kunnen verschuiven als je het vliegtuig erop rolt. Als het vliegtuig op de weegschaal staat, blokkeer dan de wielen; gebruik niet de handrem omdat dit fouten introduceert. Zorg ervoor dat u de vliegtuigblokken weegt voordat u het vliegtuig weegt.
Wanneer u op de weegschaal staat, zorg er dan voor dat het vliegtuig zich in een horizontale vlieghouding bevindt, zodat alle onderdelen zich op de juiste afstand van het nulpunt zullen bevinden, wat de meest nauwkeurige informatie oplevert. Gebruik de waterpasstellingsprocedure die door de ontwerper wordt aanbevolen. Noteer vervolgens de gewichten die door de drie weegschalen worden aangegeven (neuswiel of staartwiel, linker hoofd, en rechter hoofd)-en trek vervolgens het gewicht van de respectieve wielkeggen af.
Haal uw vliegtuig niet van de weegschaal nadat u het hebt gewogen – u moet de exacte plaats van bepaalde belangrijke onderdelen meten. De gemakkelijkste en meest nauwkeurige manier om dit te bereiken is het gebruik van een schietlood en een krijtlijn. Teken op de vloer een krijtlijn die parallel loopt aan de middellijn van het vliegtuig. Gebruik een schietlood om de locaties van het referentiepunt en de andere componenten over te brengen op de krijtlijn. Meet vervolgens de afstand van de onderdelen tot het referentiepunt. De ontwerper moet een lijst van componenten, en deze lijst omvat meestal stoelen, brandstoftanks, bagage gebieden, en de belangrijkste en neus / staartwiel.
Een goede manier om ervoor te zorgen dat u alle vereiste gewichten en metingen vast te leggen is het maken van een formulier zoals tabel 1 of 2. Wanneer de vereiste gewichten en/of armnummers zijn ingevuld, bent u klaar-met wegen en meten. Nu is het tijd om te gaan rekenen. (Om het u nog gemakkelijker te maken, kunt u de tabellen maken met behulp van een spreadsheetprogramma, zoals Microsoft Excel, zodat het de wiskunde voor u doet. Als bijkomend voordeel kunt u de spreadsheet gebruiken om het gewicht en de balans van uw vliegtuig voor altijd te berekenen. Het enige wat je hoeft te doen is de getallen voor de variabele gewichten zoals passagiers en bagage in te vullen.)
Weging en balans wiskunde is niet moeilijk als je onthoudt de W&B mantra: gewicht maal arm is gelijk aan moment. Tabel 2 gebruikt hypothetische getallen voor de RV-8, en nadat je het moment voor elk wiel hebt berekend, tel je de gewicht en moment kolommen bij elkaar op. Om het zwaartepunt bij leeggewicht te vinden, moet je de W&B mantra omdraaien: deel het totale moment door het totale gewicht. Door dit te doen voor de getallen in Tabel 2 komen we tot de conclusie dat het EWCG van de RV-8 76,26 inch van het referentievlak ligt (81.525,64/1.069=76,26).
Je zult misschien opmerken dat het EWCG buiten het vastgestelde zwaartepuntbereik van de RV-8 valt (78,70 tot 86,82 inch achter het referentiepunt), maar dat is niet erg want de RV zal niet vliegen zonder piloot, brandstof, olie, enz. De gewichten van deze essentiële componenten zullen het zwaartepunt binnen de enveloppe brengen.
Ballast
In de meeste gevallen, als u uw vliegtuig bouwt volgens de specificaties van de ontwerper en niet veel zware apparatuur toevoegt, zou het zwaartepunt van uw vliegtuig binnen de voorgeschreven enveloppe moeten vallen. Maar als je een aantal wijzigingen aanbrengt, of je bent groter of kleiner dan de gemiddelde persoon, moet je misschien wat ballast toevoegen om ervoor te zorgen dat het zwaartepunt veilig binnen de envelop blijft.
Ballast betekent niet altijd dat je permanent dood, waardeloos gewicht aan je vliegtuig toevoegt. Probeer enkele gewichtige componenten te verplaatsen, zoals de batterij. Bijvoorbeeld, als uw vliegtuig is te neus-zwaar en de batterij is onder de motorkap, verplaatsen van de batterij naar achteren. Hoe ver? Het Aircraft Weight and Balance Handbook, FAA-H-8083-1, geeft de vereiste formules en leidt u er stap voor stap doorheen.
Afhankelijk van uw vliegtuig hebt u in sommige beladingstoestanden misschien wat tijdelijke ballast nodig om het zwaartepunt te verplaatsen naar waar het hoort (binnen de enveloppe). De beste oplossing is om gewicht toe te voegen of te onttrekken in de bagageruimte of om de zitplaatsen van passagiers van verschillende gewichten (indien mogelijk) te veranderen.
Nauwkeurig wegen, meten en berekenen van het gewicht en de balans van uw homebuilt is de eerste stap in de richting van een veilige vlucht, eerste testvlucht of anderszins. Bereken de verschillende beladingscondities die u met uw vliegtuig kunt tegenkomen en houd ze klaar voor de FAA-inspecteur wanneer hij of zij uw vliegtuig inspecteert.
Houd in gedachten dat de documentatie over gewicht en balans deel uitmaakt van het papierwerk dat te allen tijde aan boord moet zijn. Het moet het leeggewicht, leeggewicht CG, meest voorwaartse en meest achterwaartse limieten, en monsterbelastingen tonen. (De kit fabrikant of ontwerper zal de voorste en achterste CG grenzen en het maximale bruto gewicht te verstrekken.)
Het laden van het vliegtuig op de juiste manier is aan jou, en het is absoluut essentieel voor veilig gebruik. Als u niet zeker weet of het zwaartepunt zich in de veiligheidszone bevindt, neem dan de tijd om het zwaartepunt te berekenen en te verifiëren.
Referenties & Termen
Zoals andere aspecten van de luchtvaart, heeft gewicht en balans zijn eigen set termen, en hieronder staan de meest voorkomende. De definities komen uit het onlangs bijgewerkte Aircraft Weight and Balance Handbook van de FAA, FAA-H-8083-1.
In acht goed geïllustreerde hoofdstukken leert het handboek bijna alles wat piloten, onderhoudstechnici en zelfbouwers moeten weten over gewicht en zwaartepunt, van theorie en documentatie tot een uitstekende how-to beschrijving over gewicht en het berekenen van het gewicht en zwaartepunt van een vliegtuig. Het is verkrijgbaar bij de meeste pilotenwinkels en postorderbedrijven.
Andere goede referenties zijn het 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, en het Airframe and Powerplant Mechanics General Handbook, AC 65-9A van de FAA. Deze documenten zijn verkrijgbaar bij de Government Printing Office en Government Book Stores, en alle FAA documenten en voorschriften zijn op CD-ROM verkrijgbaar bij Summit Aviation op www.summitaviation.com of door te bellen naar 800/328-6280.
Arm-Als ook wel de Moment Arm genoemd en gewoonlijk gemeten in inches, is het de horizontale afstand van het referentie nulpunt tot een item, zoals de voorste passagiersstoelen of de achterste bagageruimte. Als de arm achter het nulpunt wordt gemeten, staat er een plusteken (+) voor het getal, en alle getallen zijn positief als het nulpunt zich op de neus van het vliegtuig bevindt. Als het nulpunt de voorrand van de vleugel is, worden armmetingen vóór dit punt voorafgegaan door een minteken (-).
Zwaartepunt (CG)-Het punt waarop een vliegtuig in evenwicht zou zijn als het op dat punt zou hangen. Het is het middelpunt van de massa van het vliegtuig en het theoretische punt waar het gewicht van het vliegtuig wordt verondersteld te zijn geconcentreerd. De afstand tot het referentiepunt wordt bepaald door het totale moment te delen door het totale gewicht van het vliegtuig.
Zwaartepuntlimieten-De uiterste posities van het zwaartepunt voor en achter (gemeten in inches vanaf het referentiepunt) waarbinnen het vliegtuig bij een bepaald gewicht moet worden gebruikt om veilig te kunnen vliegen.
Leggewichtzwaartepunt (EWCG)-Het zwaartepunt van een vliegtuig wanneer het alleen de in het leeggewicht van het vliegtuig gespecificeerde items bevat. Dit getal dient geen doel, behalve om te gebruiken als basis voor zwaartepuntberekeningen met andere items toegevoegd. U berekent dit getal wanneer u het vliegtuig weegt.
Leeggewicht-Het gewicht van het casco, de motoren, alle permanent geïnstalleerde (vaste) apparatuur, onbruikbare (rest)brandstof, niet-aftapbare olie, hydraulische vloeistof, en vaste ballast.
Leveling nulpunt-Een punt op het casco waar u een waterpas kunt plaatsen om te bepalen wanneer het vliegtuig perfect waterpas is voor weging.
Maximaal brutogewicht-Het maximaal toegestane gewicht van het vliegtuig en al zijn uitrusting. Vastgesteld door de ontwerper of kit fabrikant, is het een aanbevolen gewicht dat u niet mag overschrijden. Het Aerobatic Bruto Gewicht is het maximale gewicht dat de vliegtuigconstructie kan dragen bij de 6-G limiet van de categorie acrobatische vliegtuigen.
Mean Aerodynamic Chord (MAC)-De gemiddelde afstand van de voorrand tot de achterrand van de vleugel. Meestal gebruikt voor grote, swept-wing vliegtuigen, de MAC is de gemiddelde koorde van een denkbeeldige vleugel die dezelfde aërodynamische eigenschappen van de werkelijke vleugel heeft, en het zwaartepunt van het vliegtuig wordt uitgedrukt als een percentage van de MAC, die het zwaartepunt ten opzichte van de vleugel zelf aangeeft.
Moment-Kracht die veroorzaakt of probeert te veroorzaken dat een object roteert. Deze kracht wordt gemeten in pound-inches (lb/in) en is het product van het gewicht van een voorwerp vermenigvuldigd met zijn arm. Bijvoorbeeld, 200 pond brandstof op 40 inch van de referentielijn zou een moment van 8.000 lb/in hebben. Het totale moment is het gewicht van het vliegtuig vermenigvuldigd met de afstand tussen het referentiepunt en het zwaartepunt.
ReferentiePunt – Een denkbeeldig verticaal vlak of lijn van waaruit alle horizontale afstanden (momentarmen) worden gemeten voor balansdoeleinden. Er is geen vaste regel voor de plaats van het referentiepunt. Meestal is het op de neus van het vliegtuig (punt van de spinner) of de voorrand van de vleugels.
Punt-een locatie langs de romp van het vliegtuig, meestal gemeten in inches vanaf het referentiepunt.
Bruikbare lading-Het verschil tussen het lege en maximale gewicht van het vliegtuig. Het is het gewicht dat een vliegtuig kan vervoeren als bruikbare brandstof en olie, passagiers en bagage.