La corretta distribuzione del peso gioca un ruolo grande e importante nelle prestazioni generali di un aereo. Caricate il vostro aereo in modo improprio, e questo influenzerà il suo consumo di carburante, la velocità, il tasso di salita, la controllabilità, il soffitto e anche l’integrità strutturale.
Quando costruite il vostro aereo, determinare il peso e il bilanciamento prima del suo primo volo è fondamentale per la vostra sicurezza e per la sicurezza di coloro che voleranno con voi. Prendete cura e tutto il tempo necessario per determinare i numeri di peso e bilanciamento accurati.
Come gli aerei di produzione, gli homebuilt devono avere dati accurati di peso e bilanciamento quando sono certificati, e quando la FAA esamina il vostro progetto completato, l’ispettore vorrà vedere i vostri documenti di peso e bilanciamento.
La maggior parte dei produttori di kit e i progettisti di aerei offrono una certa assistenza per il peso e il bilanciamento fornendo il peso lordo massimo dell’aereo, il peso lordo acrobatico (se applicabile), il peso massimo del bagaglio per ogni scompartimento, i limiti del centro di gravità (CG) anteriore e posteriore, la gamma CG acrobatica e il punto di riferimento del dato. È vostra responsabilità pesare e calcolare i numeri per il vostro aereo.
Alcuni progettisti forniscono anche tabelle con esempi di peso e numeri di equilibrio che mostrano situazioni di carico tipiche. Questi sono solo per la vostra revisione. Non usateli per il vostro aereo perché i numeri di peso e bilanciamento sono diversi per ogni aereo, anche se sono della stessa marca e modello.
Quanto a fondo dovete andare in peso e bilanciamento? Abbastanza a fondo per tabulare i dati di peso e bilanciamento necessari per ottenere il tuo certificato di aeronavigabilità – e per caricare correttamente il tuo aereo. Come pilota in comando, il regolamento federale dell’aviazione 91.7, Civil Aircraft Airworthiness, ti rende responsabile di determinare se il tuo aereo è sicuro di volare.
Parte della tua determinazione dell’idoneità di un aereo per un volo sicuro è assicurarti che sia entro i suoi limiti di peso e di equilibrio e che non superi il suo peso lordo massimo. Non è possibile determinare questo senza calcolare i numeri di peso e bilanciamento del vostro aereo. Il peso e il bilanciamento del tuo aereo giocano anche un ruolo enorme nella sicurezza del volo.
Performance & Sicurezza
Quali effetti possono avere il peso e il bilanciamento su un aereo? Se un aeroplano è più pesante del suo peso lordo massimo, la sua…
– corsa di decollo sarà più lunga perché la velocità di decollo sarà più alta.
– la velocità e l’angolo di salita saranno ridotti.
– il carico durante il volo acrobatico sarà eccessivo.
– la velocità di crociera sarà ridotta.
– l’autonomia di crociera sarà ridotta.
– la soglia di servizio sarà abbassata.
– la manovrabilità sarà diminuita.
– il rollio all’atterraggio sarà più lungo perché la velocità di atterraggio sarà più alta.
L’equilibrio di un aeroplano, dove si trova il suo centro di gravità (CG), è, forse, ancora più critico per la sicurezza del volo perché la posizione del CG influenza la stabilità dell’aeroplano. Il centro di gravità di un aeroplano è il punto in cui l’aeroplano starebbe in equilibrio se sospeso a un filo, ed è il punto in cui si suppone che il peso totale dell’aeroplano sia concentrato (vedi Figura 1).
Figura 1
Per la sicurezza, il CG deve essere entro limiti specifici, come determinato dal progettista. Sia l’equilibrio laterale che quello longitudinale sono importanti, ma l’equilibrio longitudinale – dove il CG è tra il naso e la coda – è la preoccupazione principale.
Se il CG è tra i limiti consentiti, l’aereo avrà stabilità e controllo adeguati. Come il CG si muove verso il suo limite di poppa, le pressioni di controllo dell’elevatore diventano più leggere, rendendo più facile ruotare ad un angolo di attacco più alto di quello desiderato, che può portare ad uno stallo.
Se il CG è a o davanti al suo limite di poppa, l’elevatore dovrebbe avere l’autorità del nose-down per recuperare da uno stallo. Se il CG è dietro il suo limite di poppa, l’elevatore probabilmente non avrà l’autorità del nose-down per recuperare dallo stallo. Se l’aereo dovesse entrare in rotazione con un CG a poppa, potrebbe entrare in una rotazione piatta dalla quale il recupero sarebbe improbabile.
Quando il CG si sposta verso il suo limite anteriore, le pressioni di controllo dell’elevatore verso l’alto diventano più pesanti quando si applicano forze verso l’alto, e avrete bisogno di più elevatore verso l’alto per mantenere il volo livellato. Poiché l’autorità dell’elevatore verso l’alto diminuisce man mano che il centro di gravità si sposta in avanti, se il centro di gravità si trova davanti al suo limite anteriore, l’elevatore potrebbe non avere l’autorità dell’elevatore verso l’alto per ruotare per il decollo o per l’atterraggio.
Peso ed equilibrio sono così critici per la sicurezza del volo che il FAA Aviation Safety Program ha creato un documento (FAA-P-8740-5) esclusivamente su di essi, e offre quanto segue:
“Le prestazioni e le caratteristiche di manovra degli aerei sono influenzate dal peso lordo e dai limiti del centro di gravità. Se ogni pilota capisse e rispettasse questo fatto, gli incidenti dell’aviazione generale potrebbero essere ridotti drasticamente. Un aereo sovraccarico o non correttamente bilanciato richiederà più potenza e un maggior consumo di carburante per mantenere il volo, e la stabilità e la controllabilità saranno seriamente compromesse. La mancanza di apprezzamento per gli effetti del peso e dell’equilibrio sulle prestazioni dell’aereo, in particolare in combinazione con fattori che riducono le prestazioni come l’altitudine ad alta densità, la brina o il ghiaccio sulle ali, la bassa potenza del motore, le manovre gravi o scoordinate e le situazioni di emergenza, è un fattore primario in molti incidenti.”
Calcolo del peso & Equilibrio
La migliore analogia di peso ed equilibrio è una leva e un fulcro (pensate all’altalena). Se perfettamente bilanciata sul fulcro, la leva sarà assolutamente piatta. L’aggiunta di qualsiasi peso alla leva altera l’equilibrio, e l’influenza che il peso ha dipende dalla sua posizione sulla leva. Maggiore è la distanza dal fulcro, maggiore è l’influenza.
Per ritrovare l’equilibrio della leva è necessario aggiungere un peso dall’altra parte del fulcro (vedi figura 2). La distanza del peso dal fulcro è il braccio, e quando si moltiplica il peso per il braccio, si ottiene il momento del peso, o quanta forza esercita (più avanti).
Per assicurarsi che il vostro aereo sia in equilibrio – che il suo CG sia entro i suoi limiti – calcolate il suo peso e il suo equilibrio per diverse configurazioni prima del volo per determinare la posizione del CG, prova matematica che il vostro aereo è caricato correttamente. Poiché state costruendo il vostro aereo, vorrete calcolare diverse condizioni per permettervi di calcolare ulteriormente certi carichi.
I calcoli di peso ed equilibrio presentati (Tabella 1) sono per un tipico RV-8, e il mantra di base per tutti i calcoli di peso ed equilibrio è: peso moltiplicato per braccio uguale momento. Si riempiono gli spazi con i pesi del carburante, del bagaglio e degli occupanti come appropriato, e poi si moltiplicano per il braccio per ottenere il momento di ogni elemento. (Il peso a vuoto, il braccio e il momento per il vostro aereo sono costanti, e li determinerete quando peserete il vostro homebuilt, di cui parleremo in seguito.)
Per determinare la posizione del centro di gravità del RV, sommate i totali delle colonne peso e momento. Poi dividere il momento totale (141.827,74) per il peso totale (1.691) per ottenere la posizione del CG (141.827,74/1.691=83,87).
La gamma CG dell’RV-8 va da 78,70 a 86,82 pollici a poppa del dato, e 83,87 cade all’interno dell’involucro prescritto. Il peso lordo massimo dell’RV è di 1.800 libbre, quindi 1.691 libbre è all’interno dell’involucro. Da questi calcoli abbiamo provato matematicamente i nostri dati di peso e bilanciamento.
La posizione del CG quando si decolla può non essere la stessa di quando si atterra perché il carburante bruciato cambia il peso alla stazione dei serbatoi. In alcuni aerei il CG si sposta verso poppa man mano che il carburante viene consumato, e se gli altri pesi dell’aereo non sono caricati correttamente, il CG potrebbe essere al suo limite di poppa o oltre quando è il momento di atterrare.
Con alcuni semplici calcoli è possibile determinare diversi scenari di carico per il vostro aereo. Si vorrà calcolare i carichi campione che risultano in queste posizioni di CG:
– CG a vuoto
– Carico tipico con carburante pieno
– Carico tipico con carburante minimo
– Carico CG più avanzato
– Carico CG più arretrato
– Carico massimo con carburante pieno
– Carico massimo dopo il volo con carburante minimo
In base al tuo aereo, potreste voler aggiungere altri scenari. Per esempio, se il vostro aereo è classificato per l’acrobazia, vorrete calcolare i carichi che risultano in posizioni di CG adatte all’acrobazia. In entrambi i casi, si calcola il CG a vuoto del vostro aereo una volta – a meno che non si aggiunga, si sottragga, o si cambi l’attrezzatura fissa, e allora si deve calcolare di nuovo.
Pesare il vostro aereo
Per determinare il peso a vuoto del vostro aereo e il centro di gravità a vuoto (EWCG), è necessario pesarlo. E per pesare il vostro aereo, è necessario ottenere la bilancia giusta. Alcuni costruttori usano bilance da bagno, ma data l’importanza delle informazioni accurate di peso ed equilibrio per la sicurezza di ogni volo che si fa in aereo, prendere in prestito o affittare bilance a piattaforma che sono stati calibrati per la precisione. (Certamente la sicurezza vostra e dei vostri passeggeri vale il costo del noleggio.)
Una tipica bilancia usata per gli aerei. Se le vostre bilance sono su ruote, assicuratevi che siano bloccate saldamente in modo che non si muovano quando ci rotolate sopra il vostro aereo.
In un hangar, dove il vento non può soffiare sull’aereo e causare fluttuazioni di peso, pesate il vostro aereo nella sua condizione di vuoto. Generalmente, “peso a vuoto” significa il peso della cellula, dei motori, di tutte le attrezzature permanentemente installate (fisse), del carburante inutilizzabile (residuo), dell’olio non scaricabile, del fluido idraulico e della zavorra fissa.
Per tenere traccia di quali attrezzature “fisse” hai incluso nel peso a vuoto, dal motore e dall’elica ai pantaloni delle ruote, crea una lista delle attrezzature. Dovreste pesare il vostro aereo nella sua configurazione pronta al volo, il che significa che tutte le cappottature, le porte, i tettucci, ecc. sono nelle loro posizioni di volo.
Prima di mettere l’aereo sulla bilancia, assemblate tutta l’attrezzatura di cui avrete bisogno. Questo include cunei, martinetti, attrezzature di livellamento, piombini, linee di gesso, nastri di misurazione, ecc. Se necessario, costruite delle rampe che vi permetteranno di far rotolare il vostro aereo sulla bilancia. Se il vostro aereo è un taildragger, avere un supporto compatibile con il tailwheel che terrà la coda del vostro aereo in un atteggiamento di volo livellato.
Quando si sceglie un hangar in cui pesare il vostro aereo in modo che sia fuori dal vento, che può causare una precisione non perfetta, assicurarsi che l’hangar ha un pavimento liscio perché farete alcune linee di gesso su di esso. Se le vostre bilance sono su ruote (questo è tipico), assicuratevi che siano bloccate saldamente in modo che non si muovano quando vi rotolate sopra l’aereo. Quando l’aereo è sulla bilancia, blocca le sue ruote; non usare il freno di stazionamento perché introduce errori. Assicuratevi di pesare i cunei dell’aereo prima di pesare l’aereo.
Quando siete sulla bilancia assicuratevi che l’aereo sia in assetto di volo livellato in modo che tutti i componenti siano alla loro corretta distanza dal dato, il che risulta nell’informazione più accurata. Utilizzare la procedura di livellamento raccomandata dal progettista. Poi registrate i pesi indicati dalle tre bilance (nosewheel o tailwheel, left main, e right main) – e poi sottraete il peso dei rispettivi cunei.
Non togliete il vostro aereo dalla bilancia dopo averlo pesato – avete bisogno di misurare l’esatta posizione di alcuni componenti chiave. Il modo più facile e più accurato per fare questo è quello di utilizzare un piombino e una linea di gesso. Sul pavimento segnare una linea di gesso che sia parallela alla linea centrale dell’aeroplano. Usare un piombino per trasferire le posizioni del dato di riferimento e degli altri componenti sulla linea di gesso. Poi misurare la distanza dei componenti dal dato. Il progettista dovrebbe includere una lista di componenti, e questa lista tipicamente include i sedili, i serbatoi del carburante, le aree dei bagagli, e la ruota principale e quella di coda.
Un buon modo per assicurarsi di registrare tutti i pesi e le misure richieste è di creare un modulo come la Tabella 1 o 2. Quando i pesi richiesti e/o i numeri dei bracci sono compilati, hai finito di pesare e misurare. Ora è il momento di fare un po’ di conti. (Per rendere la vita ancora più facile, crea le tabelle usando un programma di foglio di calcolo, come Microsoft Excel, così farà i calcoli per te. Come ulteriore vantaggio, potete usare il foglio di calcolo per calcolare il peso e il bilanciamento del vostro aereo per sempre. Tutto quello che dovete fare è inserire i numeri per i pesi variabili come i passeggeri e i bagagli.)
Peso e bilanciamento non è difficile se ricordate il mantra W&B: peso per braccio uguale momento. La tabella 2 usa numeri ipotetici per l’RV-8, e dopo aver calcolato il momento per ogni ruota, si sommano le colonne del peso e del momento. Per trovare il centro di gravità a vuoto, invertire il mantra W&B: dividere il momento totale per il peso totale. Facendo questo per i numeri della tabella 2 ci dice che il CG dell’RV-8 è 76,26 pollici dal dato di riferimento (81.525,64/1.069=76,26).
Si può notare che il CG dell’RV-8 cade fuori dall’involucro stabilito del CG (da 78,70 a 86,82 pollici a poppa del dato), ma questo va bene perché il RV non volerà senza pilota, carburante, olio, ecc. I pesi di questi componenti essenziali porteranno il CG all’interno dell’inviluppo.
Ballast
Nella maggior parte dei casi, se costruisci il tuo aereo secondo le specifiche del progettista e non aggiungi molte attrezzature pesanti, il CG del tuo aereo dovrebbe rientrare nell’inviluppo prescritto. Ma se si fanno alcune modifiche, o si è più grandi o più piccoli della persona media, potrebbe essere necessario aggiungere un po’ di zavorra per assicurarsi che il CG rimanga al sicuro nell’inviluppo.
La zavorra non significa sempre aggiungere peso morto e senza valore in modo permanente al vostro aeroplano. Provate a riposizionare alcuni componenti pesanti, come la batteria. Per esempio, se il vostro aereo è troppo pesante sul muso e la batteria è sotto la cappottatura, spostate la batteria a poppa. Quanto lontano? L’Aircraft Weight and Balance Handbook, FAA-H-8083-1, fornisce le formule necessarie e vi guida attraverso di esse.
A seconda del vostro aereo, in alcune condizioni di carico potreste aver bisogno di una zavorra temporanea per spostare il CG al suo posto (dentro l’inviluppo). La soluzione migliore è quella di aggiungere o sottrarre peso nel vano bagagli o di cambiare le posizioni di seduta dei passeggeri di peso diverso (se possibile).
Pesare accuratamente, misurare e calcolare il peso e l’equilibrio del vostro homebuilt è il primo passo per garantire un volo sicuro, primo volo di prova o altro. Calcolate le varie condizioni di carico che potreste incontrare con il vostro aereo e tenetele pronte per l’ispettore della FAA quando lui o lei ispezionerà il vostro aereo.
Ricordate che la documentazione di peso e bilanciamento è parte della documentazione che deve essere sempre a bordo. Dovrebbe mostrare il peso a vuoto, il CG a vuoto, i limiti più avanti e più indietro, e i carichi campione. (Il produttore del kit o il progettista fornirà i limiti di CG anteriore e posteriore e il peso lordo massimo.)
Caricare correttamente l’aereo dipende da voi, ed è assolutamente essenziale per un funzionamento sicuro. Se non siete sicuri che il CG sia nell’involucro di sicurezza, prendetevi il tempo per calcolare e verificare la sua posizione.
Riferimenti & Termini
Come altri aspetti dell’aviazione, il peso e l’equilibrio ha il suo set di termini, e qui sotto ci sono quelli più comuni. Le definizioni provengono dal recentemente aggiornato Aircraft Weight and Balance Handbook della FAA, FAA-H-8083-1.
In otto capitoli ben illustrati, il manuale insegna quasi tutto ciò che i piloti, i tecnici della manutenzione – e i costruttori – hanno bisogno di sapere su peso e bilanciamento, dalla teoria e la documentazione a un’eccellente descrizione di come fare per pesare e calcolare peso e bilanciamento di un aereo. È disponibile presso la maggior parte dei negozi di forniture per piloti e società di vendita per corrispondenza.
Altri buoni riferimenti sono l’opuscolo FAA Aviation Safety Program, “Weight and Balance”, FAA-P-8740-5, FAA Advisory Circular 43.13-1B, Acceptable Methods, Techniques, and Practices-Aircraft Inspection and Repair, e l’Airframe and Powerplant Mechanics General Handbook della FAA, AC 65-9A. Questi documenti sono disponibili presso il Government Printing Office e i Government Book Stores, e tutti i documenti e i regolamenti FAA sono disponibili su CD-ROM presso la Summit Aviation all’indirizzo www.summitaviation.com o chiamando il numero 800/328-6280.
Arm – Chiamato anche Moment Arm e solitamente misurato in pollici, è la distanza orizzontale dal dato di riferimento a un elemento, come i sedili dei passeggeri anteriori o il vano bagagli a poppa. Se il braccio è misurato a poppa del dato, ha un segno più (+) prima del numero, e tutti i numeri saranno positivi se il dato è sul muso dell’aereo. Se il dato è il bordo di entrata dell’ala, le misure del braccio davanti a questo punto sono precedute da un segno meno (-).
Centro di gravità (CG) – Il punto in cui un aereo sarebbe in equilibrio se sospeso in quel punto. È il centro della massa dell’aereo e il punto teorico in cui si presume che il peso dell’aereo sia concentrato. La sua distanza dal dato di riferimento è determinata dividendo il momento totale per il peso totale del velivolo.
Centro di gravità limiti-Le posizioni estreme avanti e indietro CG (misurato in pollici dal dato) entro cui l’aereo deve essere utilizzato a un determinato peso per volare in modo sicuro.
Empty-Weight Center of Gravity (EWCG)-CG di un aereo quando contiene solo gli elementi specificati nel peso a vuoto dell’aereo. Questo numero non serve a nulla se non ad essere usato come base per i calcoli del centro di gravità con altri elementi aggiunti. Si calcola questo numero quando si pesa l’aereo.
Peso a vuoto – Il peso della cellula, dei motori, di tutte le attrezzature permanentemente installate (fisse), del carburante inutilizzabile (residuo), dell’olio non scaricabile, del fluido idraulico e della zavorra fissa.
Leveling Datum – Un punto sulla cellula dove si può mettere una livella per determinare quando l’aereo è perfettamente in piano per la pesatura.
Peso massimo lordo – Il peso massimo autorizzato dell’aereo e di tutte le sue attrezzature. Stabilito dal progettista o dal produttore del kit, è un peso raccomandato che non si dovrebbe superare. Il peso lordo acrobatico è il peso massimo che la struttura dell’aereo può sostenere al limite di 6 G della categoria degli aerei acrobatici.
Corda aerodinamica media (MAC)-La distanza media dal bordo di entrata al bordo di uscita dell’ala. Usato soprattutto per i grandi aerei ad ala larga, il MAC è la corda media di un’ala immaginaria che ha le stesse caratteristiche aerodinamiche dell’ala reale, e il centro di gravità dell’aereo è espresso come una percentuale del MAC, che indica il CG rispetto all’ala stessa.
Momento-La forza che causa o cerca di causare la rotazione di un oggetto. Questa forza si misura in libbre-pollici (lb/in) ed è il prodotto del peso di un oggetto moltiplicato per il suo braccio. Per esempio, 200 libbre di carburante situate a 40 pollici dalla linea di riferimento avrebbero un momento di 8.000 lb/in. Il momento totale è il peso dell’aereo moltiplicato per la distanza tra l’origine e il CG.
Data di riferimento – Un piano verticale immaginario o una linea da cui tutte le distanze orizzontali (bracci di momento) sono misurate per scopi di equilibrio. Non c’è una regola fissa sulla posizione del datum. Di solito è sul naso dell’aereo (punto dell’ogiva) o sul bordo di entrata delle ali.
Stazione-Una posizione lungo la fusoliera dell’aereo, di solito misurata in pollici dal datum.
Carico utile-La differenza tra il peso a vuoto e il peso massimo dell’aereo. È il peso che un aereo può trasportare come carburante e olio utilizzabile, passeggeri e bagagli.
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