Prawidłowe rozłożenie ciężaru odgrywa dużą i ważną rolę w ogólnej wydajności samolotu. Załaduj samolot niewłaściwie, a wpłynie to na zużycie paliwa, prędkość, szybkość wznoszenia, sterowność, pułap, a nawet integralność strukturalną.
Przy budowie własnego samolotu, określenie jego wagi i wyważenia przed pierwszym lotem jest krytyczne dla twojego bezpieczeństwa i bezpieczeństwa tych, którzy będą latać z tobą. Zachowaj ostrożność i cały czas niezbędny do określenia dokładnych liczb wagi i wyważenia.
Podobnie jak samoloty produkcyjne, samoloty homebuilts muszą mieć dokładne dane wagi i wyważenia kiedy są certyfikowane, a kiedy FAA zbada twój ukończony projekt, inspektor będzie chciał zobaczyć twoją dokumentację wagi i wyważenia.
Większość producentów zestawów i projektantów samolotów oferuje pewną pomoc w zakresie wagi i wyważenia poprzez podanie maksymalnej wagi brutto samolotu, wagi brutto w akrobacji (jeśli dotyczy), maksymalnej wagi bagażu dla każdego przedziału, limitów środka ciężkości (CG) z przodu i z tyłu, zakresu CG w akrobacji i punktu odniesienia. Obowiązkiem użytkownika jest zważenie i obliczenie tych liczb dla swojego samolotu.
Wielu konstruktorów dostarcza również tabele z przykładowymi liczbami masy i wyważenia pokazujące typowe sytuacje obciążenia. Są one przeznaczone wyłącznie do przeglądu. Nie używaj ich dla swojego samolotu, ponieważ numery wagi i wyważenia są różne dla każdego samolotu, nawet jeśli są tej samej marki i modelu.
Jak głęboko musisz się zagłębić w wagę i wyważenie? Wystarczająco głęboko, aby zestawić dane dotyczące wagi i wyważenia potrzebne do uzyskania certyfikatu zdatności do lotu i do prawidłowego załadowania samolotu. Jako pilot dowodzący, Federal Aviation Regulation 91.7, Civil Aircraft Airworthiness, czyni cię odpowiedzialnym za określenie, czy twój samolot jest bezpieczny do lotu.
Częścią twojego określenia przydatności samolotu do bezpiecznego lotu jest upewnienie się, że mieści się on w granicach swojej masy i wyważenia i nie przekracza swojej maksymalnej masy brutto. Nie można tego określić bez obliczenia masy i wyważenia samolotu. Waga i wyważenie Twojego samolotu odgrywa również ogromną rolę w tym, jak bezpiecznie lata.
Wydajność & Bezpieczeństwo
Jakie skutki może mieć waga i wyważenie na samolocie? Jeżeli samolot jest cięższy niż jego maksymalna masa brutto, jego…
– bieg startowy będzie dłuższy, ponieważ prędkość startowa będzie większa.
– osiągi w zakresie prędkości i kąta wznoszenia będą zmniejszone.
– obciążenie podczas lotu akrobacyjnego będzie nadmierne.
– prędkość przelotowa będzie zmniejszona.
– zasięg przelotowy będzie skrócony.
– obniży się pułap użytkowy.
– zmniejszy się zwrotność.
– przechył przy lądowaniu będzie dłuższy, ponieważ prędkość lądowania będzie większa.
Wyważenie samolotu, czyli położenie jego środka ciężkości (CG), jest, być może, jeszcze bardziej krytyczne dla bezpieczeństwa lotu, ponieważ położenie CG wpływa na stateczność samolotu. Środek ciężkości samolotu to punkt, w którym samolot balansowałby, gdyby był zawieszony na linie, i jest to punkt, w którym zakłada się, że całkowita masa samolotu jest skoncentrowana (patrz rys. 1).
Rys. 1
W celu zapewnienia bezpieczeństwa, CG musi mieścić się w określonych granicach, ustalonych przez konstruktora. Równowaga poprzeczna i wzdłużna jest ważna, ale równowaga wzdłużna – gdzie CG znajduje się pomiędzy nosem a ogonem – jest najważniejsza.
Jeśli CG znajduje się pomiędzy dopuszczalnymi granicami, samolot będzie miał odpowiednią stabilność i kontrolę. Gdy GK przesuwa się w kierunku granicy rufy, nacisk na ster wysokości staje się mniejszy, co ułatwia obrót do wyższego niż pożądany kąta natarcia, co może prowadzić do przeciągnięcia.
Jeśli GK jest na granicy lub przed granicą rufy, ster wysokości powinien mieć władzę nad nosem, aby wyjść z przeciągnięcia. Jeśli CG jest za swoją granicą rufową, winda prawdopodobnie nie będzie miała autorytetu nose-down, aby wyjść z przeciągnięcia. Jeśli samolot wejdzie w obrót przy CG za rufą, może wejść w płaski obrót, z którego wyjście będzie mało prawdopodobne.
Jak CG przesuwa się w kierunku jej przedniej granicy, naciski sterujące nosem podnośnika stają się cięższe przy stosowaniu sił nosem do góry, i będziesz potrzebował więcej nosem do góry, aby utrzymać poziom lotu. Ponieważ siła wznoszenia podnośnika maleje wraz z przesuwaniem się GK do przodu, jeśli GK znajduje się przed swoim limitem, podnośnik może nie mieć wystarczającej siły wznoszenia, aby wykonać obrót do startu lub flarę do lądowania.
Waga i wyważenie są tak krytyczne dla bezpieczeństwa lotu, że Program Bezpieczeństwa Lotniczego FAA stworzył dokument (FAA-P-8740-5) poświęcony wyłącznie temu zagadnieniu, w którym można znaleźć następujące stwierdzenia:
„Na osiągi samolotu i charakterystykę pilotażu mają wpływ limity masy brutto i środka ciężkości. Gdyby każdy pilot rozumiał i respektował ten fakt, wypadki w lotnictwie ogólnym mogłyby zostać drastycznie zredukowane. Przeciążony lub niewłaściwie wyważony samolot będzie wymagał większej mocy i większego zużycia paliwa do utrzymania lotu, a stabilność i sterowność będą poważnie zagrożone. Brak uznania dla wpływu ciężaru i równowagi na osiągi samolotu, szczególnie w połączeniu z takimi czynnikami obniżającymi osiągi jak duża gęstość wysokości, szron lub lód na skrzydłach, mała moc silnika, ostre lub nieskoordynowane manewry i sytuacje awaryjne, jest głównym czynnikiem wielu wypadków.”
Obliczanie ciężaru & Równowaga
Najlepszą analogią ciężaru i równowagi jest dźwignia i fulcrum (pomyśl o teeter-totter). Jeżeli dźwignia jest doskonale wyważona na podporze, będzie ona absolutnie równa. Dodawanie jakiejkolwiek wagi do dźwigni zaburza równowagę, a to, jak duży wpływ ma waga, zależy od jej położenia na dźwigni. Im większa odległość od punktu podparcia, tym większy wpływ.
Aby odzyskać równowagę dźwigni, musisz dodać trochę ciężaru po drugiej stronie punktu podparcia (patrz rysunek 2). Odległość ciężaru od punktu podparcia to ramię, a gdy pomnożymy ciężar razy ramię, otrzymamy moment ciężaru, czyli siłę, jaką wywiera (więcej na ten temat później).
Aby upewnić się, że samolot jest w równowadze – że jego CG mieści się w granicach – obliczamy jego ciężar i wyważenie dla różnych konfiguracji przed lotem, aby określić położenie CG, matematyczny dowód, że samolot jest prawidłowo obciążony. Ponieważ budujesz swój samolot, będziesz chciał obliczyć kilka warunków, aby móc dalej obliczyć pewne obciążenia.
Przedstawione obliczenia ciężaru i wyważenia (Tabela 1) są dla typowego RV-8, a podstawowa mantra dla wszystkich obliczeń ciężaru i wyważenia brzmi: ciężar pomnożony przez ramię równa się moment. Wypełniasz pola masą paliwa, bagażu i pasażerów, a następnie mnożysz je przez ramię, aby uzyskać moment dla każdego elementu. (Masa własna, ramię i moment dla samolotu są stałe i określasz je podczas ważenia samolotu typu homebuilt, co omówimy dalej.)
Aby określić położenie środka ciężkości kampera, zsumuj sumy z kolumn masy i momentu. Następnie podziel całkowity moment (141,827.74) przez całkowitą masę (1,691) aby uzyskać położenie CG (141,827.74/1,691=83.87).
Zakres CG RV-8 rozciąga się od 78.70 do 86.82 cali za punktem odniesienia, a 83.87 mieści się w zalecanym zakresie. Maksymalna masa brutto RV to 1800 funtów, więc 1691 funtów mieści się w tym zakresie. Z tych obliczeń matematycznie udowodniliśmy nasze dane dotyczące wagi i wyważenia.
Położenie CG przy starcie może nie być takie samo jak przy lądowaniu, ponieważ spalane paliwo zmienia wagę na stacji zbiorników paliwa. W niektórych samolotach GK przesuwa się ku rufie w miarę zużywania paliwa, a jeśli inne ciężary w samolocie nie są właściwie obciążone, GK może być na granicy lub za granicą rufy, gdy nadchodzi czas lądowania.
Przy pomocy kilku prostych obliczeń można określić różne scenariusze obciążenia samolotu. Będziesz chciał obliczyć przykładowe obciążenia, które skutkują tymi lokalizacjami CG:
– CG przy pustej masie
– Typowe obciążenie przy pełnym paliwie
– Typowe obciążenie przy minimalnym paliwie
– Najbardziej wysunięte do przodu obciążenie CG
– Najbardziej wysunięte do tyłu obciążenie CG
– Maksymalne obciążenie przy pełnym paliwie
– Maksymalne obciążenie po locie przy minimalnym paliwie
Zależnie od Twojego samolotu, możesz chcieć dodać inne scenariusze. Na przykład, jeśli Twój samolot jest przeznaczony do akrobacji, będziesz chciał obliczyć obciążenia, które spowodują, że CG będzie odpowiednie dla akrobacji. W każdym przypadku, obliczasz CG samolotu raz – chyba że dodasz, odejmiesz lub zmienisz jego stałe wyposażenie, a wtedy musisz obliczyć je ponownie.
Ważenie samolotu
Aby określić masę własną samolotu i środek ciężkości (EWCG), musisz go zważyć. Aby zważyć samolot, musisz mieć odpowiednią wagę. Niektórzy konstruktorzy używają wag łazienkowych, ale biorąc pod uwagę znaczenie dokładnych informacji o wadze i wyważeniu dla bezpieczeństwa każdego lotu samolotem, pożycz lub wypożycz wagę platformową, która została skalibrowana pod kątem dokładności. (Z pewnością bezpieczeństwo twoje i twoich pasażerów jest warte opłaty za wynajem.)
Typowa waga używana w samolotach. Jeżeli waga jest na kółkach, upewnij się, że są one bezpiecznie zablokowane, aby nie przesuwały się, gdy wjedziesz na nie samolotem.
W hangarze, gdzie wiatr nie może wiać na samolot i powodować wahań wagi, zważ samolot w stanie pustym. Ogólnie, „masa własna” oznacza masę płatowca, silników, całego zainstalowanego (stałego) wyposażenia, bezużytecznego (resztkowego) paliwa, oleju, płynu hydraulicznego i stałego balastu.
Aby śledzić, jakie „stałe” wyposażenie wliczyłeś do masy własnej, od silnika i śmigła po spodnie koła, stwórz listę wyposażenia. Powinieneś ważyć samolot w konfiguracji gotowej do lotu, co oznacza, że wszystkie osłony, drzwi, daszki itp. są w pozycji do lotu.
Przed umieszczeniem samolotu na wadze, zmontuj cały sprzęt, który będzie potrzebny. Dotyczy to klinów, podnośników, sprzętu do poziomowania, pionów, linii kredowych, taśm mierniczych itp. W razie potrzeby zbuduj rampy, które pozwolą Ci wtoczyć samolot na wagę. Jeśli twój samolot jest taildragger, mieć tailwheel kompatybilny stojak, który będzie trzymać ogon samolotu w poziomie lotu postawy.
Podczas wybierania hangaru, w którym do ważenia samolotu, więc to jest z wiatru, co może spowodować mniej niż doskonała dokładność, upewnij się, że hangar ma gładką podłogę, ponieważ będzie się kilka linii kredą na nim. Jeśli waga jest na kółkach (co jest typowe), upewnij się, że są one bezpiecznie zablokowane, aby nie poruszyły się, gdy wtoczysz na nie samolot. Gdy samolot jest na wadze, zablokuj jego koła; nie używaj hamulca postojowego, ponieważ wprowadza to błędy. Upewnij się, że zważyłeś kliny samolotu przed zważeniem samolotu.
Podczas ważenia upewnij się, że samolot znajduje się w równej pozycji do lotu, więc wszystkie elementy będą w prawidłowej odległości od punktu odniesienia, co daje najdokładniejsze informacje. Zastosuj procedurę poziomowania zalecaną przez konstruktora. Następnie zapisz wagi wskazane przez trzy wagi (koło nosowe lub ogonowe, lewa główna i prawa główna) – a następnie odejmij wagę odpowiednich klinów pod koła.
Nie zdejmuj samolotu z wagi po jego zważeniu – musisz zmierzyć dokładne położenie niektórych kluczowych elementów. Najłatwiejszym i najdokładniejszym sposobem jest użycie pionu i linii kredowej. Na podłodze zaznacz kredą linię równoległą do linii środkowej samolotu. Za pomocą pionu przenieś położenie punktu odniesienia i innych elementów na linię kredową. Następnie należy zmierzyć odległość poszczególnych elementów od punktu odniesienia. Projektant powinien zamieścić listę komponentów, a lista ta zwykle obejmuje siedzenia, zbiorniki paliwa, obszary bagażowe oraz koło główne i nosowe/ogonowe.
Dobrym sposobem upewnienia się, że zapisujesz wszystkie wymagane ciężary i pomiary, jest stworzenie formularza takiego jak Tabela 1 lub 2. Kiedy wymagane ciężary i/lub numery ramion są wypełnione, kończysz ważenie i mierzenie. Teraz czas na trochę matematyki. (Aby jeszcze bardziej ułatwić sobie życie, utwórz tabele za pomocą arkusza kalkulacyjnego, takiego jak Microsoft Excel, dzięki czemu będzie on wykonywał obliczenia za Ciebie. Dodatkową korzyścią jest to, że możesz użyć arkusza kalkulacyjnego do obliczenia masy i wyważenia swojego samolotu na zawsze. Wszystko, co musisz zrobić, to podłączyć liczby dla zmiennych wag, takich jak pasażerowie i bagaż.)
Matematyka wagi i równowagi nie jest trudna, jeśli pamiętasz mantrę W&B: waga razy ramię równa się moment. Tabela 2 wykorzystuje hipotetyczne liczby dla RV-8, a po obliczeniu momentu dla każdego koła sumuje się kolumny masy i momentu. Aby znaleźć środek ciężkości dla masy własnej, należy odwrócić mantrę W&B: podzielić całkowity moment przez całkowitą masę. Wykonanie tej czynności dla liczb z Tabeli 2 mówi nam, że EWCG RV-8 jest 76,26 cala od punktu odniesienia (81 525,64/1 069=76,26).
Możesz zauważyć, że EWCG wypada poza ustaloną dla RV-8 obwiednię CG (78,70 do 86,82 cala za punktem odniesienia), ale to nie szkodzi, ponieważ RV nie poleci bez pilota, paliwa, oleju, itd. Ciężar tych istotnych komponentów spowoduje, że CG znajdzie się wewnątrz obwiedni.
Balast
W większości przypadków, jeśli zbudujesz samolot zgodnie ze specyfikacją projektanta i nie dodasz dużo ciężkiego sprzętu, CG samolotu powinna mieścić się w przepisowej obwiedni. Ale jeśli wprowadzisz jakieś zmiany, albo jesteś większy lub mniejszy niż przeciętna osoba, być może będziesz musiał dodać trochę balastu, aby upewnić się, że CG pozostanie bezpiecznie w obwiedni.
Balast nie zawsze oznacza dodanie martwego, bezwartościowego ciężaru na stałe do twojego samolotu. Spróbuj przenieść niektóre ważące elementy, takie jak bateria. Na przykład, jeśli twój samolot jest zbyt ciężki na nosie, a akumulator znajduje się pod osłoną, przesuń go do tyłu. Jak daleko? Podręcznik ciężaru i wyważenia samolotu, FAA-H-8083-1, podaje wymagane wzory i przeprowadza Cię przez nie.
Zależnie od samolotu, w niektórych warunkach obciążenia możesz potrzebować tymczasowego balastu, aby przesunąć CG tam, gdzie jest jego miejsce (wewnątrz obwiedni). Najlepszym rozwiązaniem jest dodanie lub odjęcie ciężaru w przedziale bagażowym lub zmiana pozycji siedzącej pasażerów o różnej wadze (jeśli to możliwe).
Dokładne ważenie, mierzenie i obliczanie wagi i wyważenia Twojego homebuildu jest pierwszym krokiem do zapewnienia bezpiecznego lotu, pierwszego lotu próbnego lub innego. Oblicz różne warunki obciążenia, które możesz napotkać w swoim samolocie i przygotuj je dla inspektora FAA podczas kontroli samolotu.
Pamiętaj, że dokumentacja wagi i wyważenia jest częścią dokumentacji, która musi być na pokładzie przez cały czas. Powinna ona pokazywać masę własną, masę własną CG, ograniczenia najbardziej do przodu i najbardziej do tyłu oraz przykładowe obciążenia. (Producent zestawu lub projektant poda przednie i tylne limity CG oraz maksymalną masę brutto.)
Właściwe załadowanie samolotu zależy od Ciebie i jest absolutnie niezbędne do bezpiecznej eksploatacji. Jeśli nie jesteś pewien, czy CG znajduje się w kopercie bezpieczeństwa, poświęć czas na obliczenie i zweryfikowanie jej położenia.
Przypisy & Terminy
Podobnie jak inne aspekty lotnictwa, waga i wyważenie ma swój własny zestaw terminów, a poniżej znajdują się te bardziej powszechne. Definicje pochodzą z niedawno zaktualizowanego przez FAA Podręcznika ciężaru i wyważenia samolotu, FAA-H-8083-1.
W ośmiu dobrze zilustrowanych rozdziałach, podręcznik uczy prawie wszystko, co piloci, technicy obsługi technicznej i konstruktorzy domowi muszą wiedzieć o ciężarze i wyważeniu, od teorii i dokumentacji do doskonałego opisu „jak to zrobić” o wadze i obliczaniu ciężaru i wyważenia samolotu. Jest ona dostępna w większości sklepów z zaopatrzeniem dla pilotów i firm wysyłkowych.
Inne dobre referencje to broszura FAA Aviation Safety Program, „Weight and Balance”, FAA-P-8740-5, okólnik doradczy FAA 43.13-1B, Acceptable Methods, Techniques, and Practices-Aircraft Inspection and Repair, oraz FAA’s Airframe and Powerplant Mechanics General Handbook, AC 65-9A. Dokumenty te są dostępne w Government Printing Office i Government Book Stores, a wszystkie dokumenty i przepisy FAA są dostępne na CD-ROM-ach w Summit Aviation pod adresem www.summitaviation.com lub pod numerem 800/328-6280.
Ramię – zwane również ramieniem momentu i zwykle mierzone w calach, jest to pozioma odległość od punktu odniesienia do elementu, takiego jak przednie siedzenia pasażerskie lub rufowy przedział bagażowy. Jeśli ramię mierzone jest za punktem odniesienia, przed liczbą znajduje się znak plus (+), a wszystkie liczby będą dodatnie, jeśli punkt odniesienia znajduje się na nosie samolotu. Jeśli punktem odniesienia jest krawędź natarcia skrzydła, pomiary ramienia przed tym punktem są poprzedzone znakiem minus (-).
Środek ciężkości (CG)- Punkt, w którym samolot zachowywałby równowagę, gdyby był zawieszony w tym punkcie. Jest to środek masy samolotu i teoretyczny punkt, w którym zakłada się, że masa samolotu jest skoncentrowana. Jego odległość od punktu odniesienia jest określana przez podzielenie całkowitego momentu przez całkowitą masę statku powietrznego.
Limity środka ciężkości – skrajne przednie i tylne położenia CG (mierzone w calach od punktu odniesienia), w ramach których statek powietrzny musi być eksploatowany przy danej masie, aby latać bezpiecznie.
Środek ciężkości przy masie własnej (EWCG)-CG statku powietrznego, gdy zawiera on tylko elementy określone w masie własnej statku powietrznego. Liczba ta nie służy niczemu innemu, jak tylko do wykorzystania jako podstawa do obliczeń środka ciężkości po dodaniu innych elementów. Liczbę tę oblicza się podczas ważenia samolotu.
Maksymalna masa własna – masa płatowca, silników, całego zainstalowanego na stałe wyposażenia, niewykorzystanego (resztkowego) paliwa, niespuszczalnego oleju, płynu hydraulicznego i stałego balastu.
Punkt bazowy poziomowania – punkt na płatowcu, w którym można umieścić poziomicę w celu określenia, czy samolot jest idealnie wypoziomowany do ważenia.
Maksymalna masa brutto – maksymalna dopuszczalna masa samolotu i całego jego wyposażenia. Ustalona przez konstruktora lub producenta zestawu, jest to zalecana waga, której nie powinieneś przekraczać. Aerobatic Gross Weight jest maksymalną wagą, którą konstrukcja samolotu utrzyma przy limicie 6-G w kategorii samolotów akrobacyjnych.
Mean Aerodynamic Chord (MAC)-Średnia odległość od krawędzi natarcia do krawędzi spływu skrzydła. Najczęściej używany dla dużych, skrzydłowych samolotów, MAC jest średnią cięciwą wyimaginowanego skrzydła, które ma takie same właściwości aerodynamiczne jak rzeczywiste skrzydło, a środek ciężkości samolotu jest wyrażony jako procent MAC, co wskazuje CG w odniesieniu do samego skrzydła.
Moment – siła, która powoduje lub próbuje spowodować obrót obiektu. Siła ta jest mierzona w funt-calach (lb/in) i jest iloczynem masy przedmiotu pomnożonej przez jego ramię. Na przykład 200 funtów paliwa umieszczonego 40 cali od linii odniesienia będzie miało moment 8000 lb/in. Moment całkowity to masa samolotu pomnożona przez odległość pomiędzy punktem odniesienia a CG.
Odniesienie punktu odniesienia – wyimaginowana pionowa płaszczyzna lub linia, od której mierzy się wszystkie odległości poziome (ramiona momentu) dla celów wyważenia. Nie ma stałej reguły dotyczącej położenia punktu odniesienia. Zwykle znajduje się on na nosie samolotu (punkt spinnera) lub na krawędzi natarcia skrzydeł.
Stanowisko-Miejsce wzdłuż kadłuba samolotu, zwykle mierzone w calach od punktu odniesienia.
Obciążenie użytkowe-Różnica pomiędzy masą własną i maksymalną samolotu. Jest to masa, jaką statek powietrzny może unieść jako paliwo i olej użytkowy, pasażerów i bagaż.
Ładunek użyteczny-Różnica między masą własną a maksymalną statku powietrznego.