Distribuția corectă a greutății joacă un rol important în performanța generală a unei aeronave. Încărcați avionul în mod necorespunzător, iar acest lucru îi va afecta consumul de combustibil, viteza, rata de urcare, controlabilitatea, plafonul și chiar integritatea structurală.
Când vă construiți propriul avion, determinarea greutății și echilibrului acestuia înainte de primul zbor este esențială pentru siguranța dumneavoastră – și a celor care vor zbura cu dumneavoastră. Aveți grijă și acordați tot timpul necesar pentru a determina cu exactitate cifrele de greutate și echilibru.
Ca și avioanele de serie, avioanele artizanale trebuie să aibă date exacte privind greutatea și echilibrul atunci când sunt certificate, iar atunci când FAA va examina proiectul dvs. finalizat, inspectorul va dori să vadă documentele de greutate și echilibru.
Majoritatea producătorilor de kituri și a proiectanților de aeronave oferă o anumită asistență în ceea ce privește greutatea și echilibrul, furnizând greutatea brută maximă a avionului, greutatea brută acrobatică (dacă este cazul), greutatea maximă a bagajelor pentru fiecare compartiment, limitele centrului de greutate (CG) față și spate, intervalul CG acrobatic și punctul de referință datum. Este responsabilitatea dumneavoastră să cântăriți și să calculați cifrele pentru avionul dumneavoastră.
Câțiva proiectanți oferă, de asemenea, tabele cu exemple de cifre de greutate și echilibru care prezintă situații tipice de încărcare. Acestea sunt doar pentru examinare. Nu le folosiți pentru avionul dumneavoastră, deoarece numerele de greutate și echilibru sunt diferite pentru fiecare avion, chiar dacă sunt de aceeași marcă și model.
Cât de adânc trebuie să vă ocupați de greutate și echilibru? Suficient de adânc pentru a tabula datele de greutate și echilibru necesare pentru a obține certificatul de navigabilitate – și pentru a vă încărca corect aeronava. În calitate de pilot comandant, Federal Aviation Regulation 91.7, Civil Aircraft Airworthiness (Reglementarea federală a aviației 91.7, navigabilitatea aeronavelor civile), vă face responsabil pentru a determina dacă aeronava dvs. este sigură pentru zbor.
O parte a determinării dvs. a adecvării unei aeronave pentru un zbor în siguranță constă în a vă asigura că aceasta se încadrează în limitele sale de greutate și echilibru și că nu depășește greutatea sa brută maximă. Nu puteți determina acest lucru fără a calcula cifrele de greutate și echilibru ale avionului dumneavoastră. Greutatea și centrajul aeronavei dumneavoastră joacă, de asemenea, un rol imens în ceea ce privește siguranța zborului.
Performanțe & Siguranță
Ce efecte pot avea greutatea și centrajul asupra unei aeronave? Dacă un avion este mai greu decât greutatea sa brută maximă,…
– cursa de decolare va fi mai lungă, deoarece viteza de decolare va fi mai mare.
– performanțele în ceea ce privește rata și unghiul de urcare vor fi reduse.
– încărcarea în timpul zborului acrobatic va fi excesivă.
– viteza de croazieră va fi redusă.
– autonomia de croazieră va fi redusă.
– plafonul de serviciu va fi redus.
– manevrabilitatea va fi diminuată.
– rulajul la aterizare va fi mai lung, deoarece viteza de aterizare va fi mai mare.
Echilibrul unui avion, unde se află centrul de greutate (CG) este, poate, chiar mai critic pentru siguranța zborului, deoarece locația CG-ului afectează stabilitatea avionului. Centrul de greutate al unui avion este punctul în care avionul s-ar echilibra dacă ar fi suspendat de un fir și este punctul în care se presupune că este concentrată greutatea totală a avionului (a se vedea figura 1).
Figura 1
Pentru siguranță, CG trebuie să se încadreze în limite specifice, stabilite de proiectant. Atât echilibrul lateral, cât și cel longitudinal sunt importante, dar echilibrul longitudinal – unde CG se află între bot și coadă – este principala preocupare.
Dacă CG se află între limitele admise, avionul va avea o stabilitate și un control adecvat. Pe măsură ce CG se deplasează spre limita sa posterioară, presiunile de control ale elevatorului devin mai ușoare, ceea ce facilitează rotirea la un unghi de atac mai mare decât cel dorit, ceea ce poate duce la o pierdere de viteză.
Dacă CG se află la sau înaintea limitei sale posterioare, elevatorul ar trebui să aibă autoritatea de coborâre a nasului pentru a se redresa după o pierdere de viteză. Dacă CG se află în spatele limitei sale posterioare, liftul probabil că nu va avea autoritatea de coborâre în jos pentru a ieși din pierdere de viteză. În cazul în care aeronava ar intra într-o rotire cu un CG posterior, ar putea intra într-o rotire plană din care recuperarea ar fi puțin probabilă.
Pe măsură ce CG-ul se deplasează spre limita sa anterioară, presiunile de control de ridicare a liftului devin mai mari atunci când se aplică forțe de ridicare, și veți avea nevoie de mai mult lift de ridicare pentru a menține zborul la nivel. Deoarece autoritatea de ridicare în bot a elevatorului scade pe măsură ce CG se deplasează în față, dacă CG se află înaintea limitei sale anterioare, este posibil ca elevatorul să nu aibă autoritatea de ridicare în bot pentru a se roti pentru decolare – sau pentru a ateriza.
Greutatea și echilibrul sunt atât de critice pentru siguranța zborului încât Programul de siguranță a aviației al FAA a creat un document (FAA-P-8740-5) numai despre aceasta și oferă următoarele:
„Performanțele și caracteristicile de manevrabilitate ale aeronavei sunt afectate de greutatea brută și de limitele centrului de greutate. Dacă fiecare pilot ar înțelege și ar respecta acest fapt, accidentele din aviația generală ar putea fi reduse dramatic. O aeronavă supraîncărcată sau necorespunzător echilibrată va necesita mai multă putere și un consum mai mare de combustibil pentru a menține zborul, iar stabilitatea și controlabilitatea vor fi grav afectate. Lipsa de apreciere a efectelor greutății și echilibrului asupra performanțelor aeronavelor, în special în combinație cu factori de reducere a performanțelor, cum ar fi altitudinea cu densitate mare, înghețul sau gheața de pe aripi, puterea redusă a motorului, manevrele severe sau necoordonate și situațiile de urgență, este un factor principal în multe accidente.”
Calcularea greutății & Echilibru
Cele mai bună analogie a greutății și echilibrului este o pârghie și un punct de sprijin (gândiți-vă la balansoar). Dacă este perfect echilibrată pe punctul de sprijin, pârghia va fi absolut plană. Adăugarea oricărei greutăți la pârghie dă peste cap echilibrul, iar influența pe care o are greutatea depinde de poziția acesteia pe pârghie. Cu cât distanța față de punct de sprijin este mai mare, cu atât influența este mai mare.
Pentru a recăpăta echilibrul pârghiei trebuie să adăugați o greutate de cealaltă parte a punctului de sprijin (vezi figura 2). Distanța la care se află greutatea față de punctul de sprijin este brațul, iar când înmulțițiți greutatea cu brațul, obțineți momentul greutății, sau câtă forță exercită (mai multe despre acest lucru mai târziu).
Pentru a vă asigura că avionul dumneavoastră este în echilibru – că CG-ul său se află în limitele sale – calculați greutatea și echilibrul pentru diferite configurații înainte de zbor pentru a determina locația CG-ului, dovadă matematică a faptului că avionul este încărcat corespunzător. Deoarece vă construiți avionul, veți dori să calculați mai multe condiții pentru a vă permite să calculați mai departe anumite sarcini.
Calculele de greutate și echilibru prezentate (tabelul 1) sunt pentru un RV-8 tipic, iar mantra de bază pentru toate calculele de greutate și echilibru este: greutatea înmulțită cu brațul este egală cu momentul. Se completează spațiile cu greutățile combustibilului, a bagajelor și a ocupanților, după caz, și apoi se înmulțesc cu brațul pentru a obține momentul fiecărui element. (Greutatea în gol, brațul și momentul pentru aeronavă sunt constante și le determinați atunci când vă cântăriți avionul de casă, despre care vom discuta în continuare.)
Pentru a determina locația centrului de greutate al rulotei, adunați totalurile din coloanele de greutate și moment. Apoi împărțiți momentul total (141.827,74) la greutatea totală (1.691) pentru a obține locația CG (141.827,74/1.691=83,87).
Locul CG al RV-8 merge de la 78,70 la 86,82 inch în spatele punctului de referință, iar 83,87 se încadrează în limitele prescrise. Greutatea brută maximă a RV este de 1.800 de lire sterline, deci 1.691 de lire sterline se încadrează în acest plic. Din aceste calcule am dovedit matematic datele noastre de greutate și echilibru.
Localizarea CG-ului la decolare poate să nu fie aceeași cu cea de la aterizare, deoarece combustibilul consumat modifică greutatea la stația rezervoarelor de combustibil. La unele aeronave, CG-ul se deplasează spre pupa pe măsură ce se consumă combustibil, iar dacă celelalte greutăți din aeronavă nu sunt încărcate corespunzător, CG-ul ar putea fi la sau în spatele limitei sale posterioare atunci când este timpul să aterizați.
Cu câteva calcule simple puteți determina diferite scenarii de încărcare pentru avionul dumneavoastră. Veți dori să calculați eșantioanele de încărcare care au ca rezultat aceste poziții ale CG:
– CG la gol
– Încărcare tipică cu plinul de combustibil
– Încărcare tipică cu minimul de combustibil
– Încărcare CG cel mai în față
– Încărcare CG cel mai în spate
– Încărcare maximă cu plinul de combustibil
– Încărcare maximă după zbor cu minimul de combustibil
În funcție de avionul dumneavoastră, este posibil să doriți să adăugați și alte scenarii. De exemplu, dacă avionul dumneavoastră este clasificat pentru acrobație, veți dori să calculați încărcările care au ca rezultat poziții ale CG adecvate pentru acrobație. În ambele cazuri, calculați o singură dată CG-ul în gol al avionului dumneavoastră – cu excepția cazului în care adăugați, scădeți sau modificați echipamentul fix, iar atunci trebuie să îl calculați din nou.
Cântărirea avionului dumneavoastră
Pentru a determina greutatea în gol și centrul de greutate în gol (EWCG) al avionului dumneavoastră, trebuie să îl cântăriți. Și pentru a vă cântări avionul, trebuie să obțineți cântarul adecvat. Unii constructori folosesc cântare de baie, dar având în vedere importanța unor informații exacte privind greutatea și echilibrul pentru siguranța fiecărui zbor pe care îl faceți cu avionul, împrumutați sau închiriați cântare de platformă care au fost calibrate pentru precizie. (Cu siguranță, siguranța dvs. și a pasagerilor dvs. merită taxa de închiriere.)
Un cântar tipic utilizat pentru aeronave. Dacă cântarul este pe roți, asigurați-vă că acestea sunt bine fixate cu crampoane, astfel încât să nu se miște atunci când vă rostogoliți avionul pe ele.
Într-un hangar, unde vântul nu poate sufla pe aeronavă și provoca fluctuații de greutate, cântăriți avionul în stare goală. În general, „greutatea la gol” înseamnă greutatea fuselajului, a motoarelor, a tuturor echipamentelor instalate permanent (fixe), a combustibilului inutilizabil (rezidual), a uleiului nedrenabil, a fluidului hidraulic și a balastului fix.
Pentru a ține evidența echipamentelor „fixe” pe care le-ați inclus în greutatea la gol, de la motor și elice până la pantalonii roților, creați o listă de echipamente. Ar trebui să cântăriți avionul în configurația sa gata de zbor, ceea ce înseamnă că toate capotajele, ușile, copertinele etc. sunt în poziția lor de zbor.
Înainte de a pune avionul pe cântar, asamblați tot echipamentul de care veți avea nevoie. Acest lucru include crampoane, cricuri, echipamente de nivelare, plombe, linii de cretă, benzi de măsură, etc. Dacă este necesar, construiți rampe care vă vor permite să vă rostogoliți avionul pe cântar. Dacă avionul dvs. este un taildragger, aveți un suport compatibil cu roata de coadă care va ține coada avionului într-o atitudine de zbor la nivel.
Când alegeți un hangar în care să vă cântăriți avionul, astfel încât să fie ferit de vânt, ceea ce poate cauza o precizie mai puțin perfectă, asigurați-vă că hangarul are o podea netedă, deoarece veți face câteva linii de cretă pe ea. În cazul în care cântarul este pe roți (ceea ce este tipic), asigurați-vă că acestea sunt bine fixate, astfel încât să nu se miște atunci când vă rostogoliți avionul pe ele. Când avionul se află pe cântar, blocați-i roțile; nu folosiți frâna de parcare, deoarece aceasta introduce erori. Asigurați-vă că cântăriți calele avionului înainte de a cântări avionul.
Când vă aflați pe cântar, asigurați-vă că avionul se află într-o atitudine de zbor la nivel, astfel încât toate componentele să se afle la distanța corectă față de punctul de referință, ceea ce duce la obținerea celor mai exacte informații. Utilizați procedura de nivelare recomandată de proiectant. Apoi înregistrați greutățile indicate de cele trei cântare (roata din față sau roata de coadă, roata principală stânga și roata principală dreapta) – și apoi scădeți greutatea crampoanelor roților respective.
Nu luați avionul de pe cântar după ce l-ați cântărit – trebuie să măsurați locația exactă a anumitor componente cheie. Cel mai simplu și mai precis mod de a realiza acest lucru este să folosiți un fir cu plumb și o linie de cretă. Pe podea marcați o linie de cretă care să fie paralelă cu linia mediană a avionului. Folosiți un fir cu plumb pentru a transfera locațiile punctului de referință și ale celorlalte componente pe linia de cretă. Apoi se măsoară distanța componentelor față de punctul de referință. Proiectantul ar trebui să includă o listă de componente, iar această listă include, de obicei, scaunele, rezervoarele de combustibil, zonele de bagaje și roata principală și roata din față/coadă.
O modalitate bună de a vă asigura că înregistrați toate greutățile și măsurătorile necesare este de a crea un formular precum tabelul 1 sau 2. Când greutățile și/sau numerele de braț necesare sunt completate, ați terminat – cu cântărirea și măsurarea. Acum este timpul să faceți niște calcule. (Pentru a vă face viața și mai ușoară, creați tabelele folosind un program de foaie de calcul, cum ar fi Microsoft Excel, astfel încât acesta să facă calculele în locul dvs. Ca un beneficiu suplimentar, puteți utiliza foaia de calcul pentru a calcula pentru totdeauna greutatea și echilibrul avionului dumneavoastră. Tot ce trebuie să faceți este să introduceți cifrele pentru greutățile variabile, cum ar fi pasagerii și bagajele.)
Matematica greutății și echilibrului nu este dificilă dacă vă amintiți mantra W&B: greutatea înmulțită cu brațul este egală cu momentul. Tabelul 2 folosește numere ipotetice pentru RV-8, iar după ce calculați momentul pentru fiecare roată, însumați coloanele de greutate și moment. Pentru a afla centrul de greutate în gol, inversați mantra W&B: împărțiți momentul total la greutatea totală. Făcând acest lucru pentru cifrele din tabelul 2 ne spune că EWCG al RV-8 este la 76,26 inci de la data de referință (81.525,64/1.069=76,26).
Puteți observa că EWCG se află în afara anvelopei CG stabilite pentru RV-8 (între 78,70 și 86,82 inci în spatele datei de referință), dar asta este în regulă, deoarece RV nu va zbura fără pilot, combustibil, ulei, etc. Greutățile acestor componente esențiale vor aduce CG-ul în interiorul anvelopei.
Balastul
În cele mai multe cazuri, dacă vă construiți avionul conform specificațiilor proiectantului și nu adăugați o mulțime de echipamente grele, CG-ul avionului dvs. ar trebui să se încadreze în anvelopa stabilită. Dar dacă faceți unele modificări, sau dacă sunteți mai mare sau mai mic decât o persoană obișnuită, este posibil să trebuiască să adăugați ceva balast pentru a vă asigura că CG-ul rămâne în siguranță în interiorul anvelopei.
Balastul nu înseamnă întotdeauna adăugarea permanentă de greutate moartă, fără valoare, la avionul dumneavoastră. Încercați să relocalizați unele componente cu greutate, cum ar fi bateria. De exemplu, dacă avionul dvs. este prea greu din cauza botului și bateria se află sub capotă, mutați-o spre pupa. Cât de departe? Manualul Aircraft Weight and Balance Handbook, FAA-H-8083-1, oferă formulele necesare și vă ghidează prin ele.
În funcție de avionul dumneavoastră, în anumite condiții de încărcare s-ar putea să aveți nevoie de un balast temporar pentru a muta CG-ul acolo unde îi este locul (în interiorul anvelopei). Cea mai bună soluție este să adăugați sau să scădeți greutate în compartimentul de bagaje sau să schimbați pozițiile de ședere ale pasagerilor cu greutăți diferite (dacă este posibil).
Cântărirea, măsurarea și calcularea cu exactitate a greutății și echilibrului avionului dumneavoastră homebuilt este primul pas pentru a vă asigura un zbor în siguranță, fie că este vorba de primul zbor de încercare sau nu. Calculați diferitele condiții de încărcare pe care le puteți întâlni cu avionul dumneavoastră și pregătiți-le pentru inspectorul FAA atunci când acesta vă inspectează avionul.
Rețineți că documentația privind greutatea și echilibrul face parte din documentele care trebuie să se afle la bord în permanență. Aceasta ar trebui să indice greutatea în gol, CG în gol, limitele cea mai din față și cea mai din spate și încărcăturile de probă. (Producătorul sau proiectantul kitului va furniza limitele CG față și spate și greutatea brută maximă.)
Încărcarea corectă a aeronavei depinde de dumneavoastră și este absolut esențială pentru o operare în siguranță. Dacă nu sunteți sigur că CG se află în anvelopa de siguranță, acordați-vă timp pentru a calcula și verifica locația acestuia.
Referințe & Termeni
Ca și alte aspecte ale aviației, greutatea și echilibrul au propriul set de termeni, iar mai jos sunt cei mai comuni. Definițiile provin din manualul recent actualizat al FAA, Aircraft Weight and Balance Handbook, FAA-H-8083-1.
În opt capitole bine ilustrate, manualul învață aproape tot ceea ce piloții, tehnicienii de întreținere – și constructorii casnici – trebuie să știe despre greutate și echilibrare, de la teorie și documentație până la o excelentă descriere a modului în care se poate calcula greutatea și echilibrarea unei aeronave. Este disponibil în majoritatea magazinelor de aprovizionare a piloților și a companiilor de vânzare prin poștă.
Alte referințe bune sunt broșura 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, și FAA’s Airframe and Powerplant Mechanics General Handbook, AC 65-9A. Aceste documente sunt disponibile la Government Printing Office și la Government Book Stores, iar toate documentele și reglementările FAA sunt disponibile pe CD-ROM de la Summit Aviation la www.summitaviation.com sau la numărul de telefon 800/328-6280.
Braț – Numit și braț de moment și măsurat de obicei în inci, este distanța orizontală de la punctul de referință până la un element, cum ar fi scaunele pasagerilor din față sau compartimentul de bagaje din spate. Dacă brațul este măsurat în spatele punctului de referință, acesta are un semn plus (+) înaintea numărului, iar toate numerele vor fi pozitive dacă punctul de referință se află pe botul avionului. Dacă punctul de referință este marginea de atac a aripii, măsurătorile brațului în fața acestui punct sunt precedate de un semn minus (-).
Centrul de gravitație (CG) – Punctul în care o aeronavă s-ar echilibra dacă ar fi suspendată în acel punct. Este centrul de masă al aeronavei și punctul teoretic în care se presupune că se concentrează greutatea aeronavei. Distanța sa față de punctul de referință se determină prin împărțirea momentului total la greutatea totală a aeronavei.
Limitele centrului de greutate-Localizările extreme ale centrului de greutate față și spate (măsurate în inci față de punctul de referință) în interiorul cărora aeronava trebuie operată la o anumită greutate pentru a zbura în siguranță.
Centrul de greutate în gol (EWCG) – Centrul de greutate al unei aeronave atunci când aceasta conține numai elementele specificate în greutatea în gol a aeronavei. Acest număr nu servește decât pentru a fi utilizat ca bază pentru calculele centrului de greutate cu adăugarea altor elemente. Calculați acest număr atunci când cântăriți aeronava.
Greutate în gol – Greutatea fuselajului, a motoarelor, a tuturor echipamentelor instalate permanent (fixe), a combustibilului inutilizabil (rezidual), a uleiului nedrenabil, a fluidului hidraulic și a balastului fix.
Datum de nivelare – Un punct de pe fuselaj în care puteți plasa un nivel pentru a determina momentul în care avionul este perfect nivelat pentru cântărire.
Greutate brută maximă – Greutatea maximă autorizată a aeronavei și a tuturor echipamentelor sale. Stabilită de proiectant sau de producătorul kitului, este o greutate recomandată pe care nu trebuie să o depășiți. Greutatea brută acrobatică este greutatea maximă pe care structura aeronavei o va suporta la limita de 6-G a categoriei de aeronave acrobatice.
Cordură aerodinamică medie (MAC) – Distanța medie de la marginea de atac la marginea de fugă a aripii. Utilizată mai ales pentru aeronavele mari, cu aripi înclinate, MAC este coarda medie a unei aripi imaginare care are aceleași caracteristici aerodinamice ca și aripa reală, iar centrul de greutate al aeronavei este exprimat ca procent din MAC, ceea ce indică CG în raport cu aripa însăși.
Moment – O forță care determină sau încearcă să determine un obiect să se rotească. Această forță se măsoară în lire-putere (lb/in) și este produsul greutății unui obiect înmulțit cu brațul său. De exemplu, 200 de livre de combustibil amplasate la 40 de inci de linia de referință ar avea un moment de 8.000 lb/in. Momentul total este greutatea aeronavei înmulțită cu distanța dintre punctul de referință și CG.
Punctul de referință – Un plan sau o linie verticală imaginară de la care se măsoară toate distanțele orizontale (brațele de moment) în scopul echilibrării. Nu există o regulă fixă privind amplasarea punctului de referință. De obicei, se află pe botul avionului (punctul spinnerului) sau pe marginea de atac a aripilor.
Stație – O locație de-a lungul fuselajului aeronavei, de obicei măsurată în centimetri de la punctul de referință.
Carcatura utilă – Diferența dintre greutatea maximă și cea în gol a aeronavei. Este greutatea pe care o aeronavă o poate transporta ca și combustibil și ulei utilizabil, pasageri și bagaje.