Den korrekta viktfördelningen spelar en stor och viktig roll för ett luftfartygs totala prestanda. Om du belastar ditt flygplan felaktigt kommer det att påverka bränsleförbrukningen, hastigheten, stigningshastigheten, styrbarheten, taket och till och med den strukturella integriteten.
När du bygger ditt eget flygplan är det avgörande för din säkerhet – och för säkerheten för dem som kommer att flyga med dig – att bestämma dess vikt och balans före den första flygningen. Var försiktig och ta all den tid som krävs för att fastställa korrekta vikt- och balanssiffror.
Som produktionsflygplan måste hemmabyggda flygplan ha korrekta vikt- och balanssiffror när de certifieras, och när FAA granskar ditt färdiga projekt kommer inspektören att vilja se dina vikt- och balanshandlingar.
De flesta kittillverkare och flygplanskonstruktörer erbjuder viss vikt- och balanshjälp genom att tillhandahålla flygplanets maximala bruttovikt, aerobatic-bruttovikt (om tillämpligt), maximal bagagevikt för varje fack, gränsvärdena för tyngdpunkten (CG) framåt och bakåt, aerobatic CG-intervallet och referenspunkten för datum. Det är ditt ansvar att väga och beräkna siffrorna för ditt flygplan.
Vissa konstruktörer tillhandahåller också tabeller med exempel på vikt- och balanssiffror som visar typiska lastsituationer. Dessa är endast till för din granskning. Använd dem inte för ditt flygplan eftersom vikt- och balanssiffrorna är olika för varje flygplan, även om de är av samma fabrikat och modell.
Hur djupt måste du sätta dig in i vikt och balans? Tillräckligt djupt för att kunna sammanställa de vikt- och balansdata som behövs för att få ditt luftvärdighetsbevis – och för att kunna lasta ditt flygplan på rätt sätt. Enligt Federal Aviation Regulation 91.7, Civil Aircraft Airworthiness, har du som befälhavare ansvaret för att avgöra om ditt flygplan är säkert att flyga.
En del av ditt fastställande av ett flygplans lämplighet för säker flygning är att se till att det ligger inom sina vikt- och balansgränser och att det inte överskrider sin maximala bruttovikt. Du kan inte avgöra detta utan att beräkna ditt flygplans vikt- och balanstal. Ditt flygplans vikt och balans spelar också en stor roll för hur säkert det flyger.
Prestanda &Säkerhet
Vilka effekter kan vikt och balans ha på ett flygplan? Om ett flygplan är tyngre än sin maximala bruttovikt, kommer flygplanets…
– startsträcka att bli längre eftersom starthastigheten blir högre.
– stigningshastighet och stigningsvinkelprestanda kommer att minska.
– belastning under konstflygning kommer att bli överdriven.
– marschfart kommer att minskas.
– räckvidd för kryssning kommer att förkortas.
– Servicetak kommer att sänkas.
– Manövrerbarheten kommer att minska.
– Landningsrullningen kommer att bli längre eftersom landningshastigheten kommer att vara högre.
Ett flygplans balans, var dess tyngdpunkt (CG) är placerad, är kanske till och med ännu mer kritisk för flygsäkerheten eftersom tyngdpunktens placering påverkar flygplansstabiliteten. Ett flygplans tyngdpunkt är den punkt där flygplanet skulle balansera om det hängde i en tråd, och det är den punkt där flygplanets totala vikt antas vara koncentrerad (se figur 1).
Figur 1
För säkerhetens skull måste tyngdpunkten ligga inom vissa gränser, som konstruktören har bestämt. Både lateral och longitudinell balans är viktig, men longitudinell balans – där tyngdpunkten ligger mellan nosen och stjärten – är det viktigaste.
Om tyngdpunkten ligger mellan de tillåtna gränserna kommer flygplanet att ha tillräcklig stabilitet och kontroll. När tyngdpunkten rör sig mot sin bakre gräns blir höjdrodrets styrtryck lättare, vilket gör det lättare att rotera till en högre anfallsvinkel än önskat, vilket kan leda till stall.
Om tyngdpunkten befinner sig vid eller före sin bakre gräns bör höjdrodret ha den näsnedåtgående auktoriteten för att återhämta sig från ett stall. Om tyngdpunkten är bakom dess bakre gräns kommer höjdrodret troligen inte att ha näsnedåtgående auktoritet för att återhämta sig från stall. Om flygplanet skulle hamna i en snurr med ett bakre tyngdpunkt kan det hamna i en platt snurr från vilken återhämtning är osannolik.
När tyngdpunkten rör sig mot sin främre gräns blir höjdrodrets uppåtriktade styrtryck tyngre när du tillämpar uppåtriktade krafter, och du behöver mer höjdrodret uppåtriktad höjdrodret för att bibehålla en jämn flygning. Eftersom höjdrodrets nosuppdragsbehörighet minskar när tyngdpunkten rör sig framåt, kan det hända att höjdrodret, om tyngdpunkten ligger före sin främre gräns, inte har tillräckligt med nosuppdragsbehörighet för att rotera för start eller flare för landning.
Vikt och balans är så viktigt för flygsäkerheten att FAA:s flygsäkerhetsprogram har skapat ett dokument (FAA-P-8740-5) som enbart handlar om detta, och i det står följande:
”Flygplanets prestanda och handhavandeegenskaper påverkas av bruttovikten och tyngdpunktsgränserna. Om alla piloter skulle förstå och respektera detta faktum skulle olyckorna inom allmänflyget kunna minskas dramatiskt. Ett överbelastat eller felaktigt balanserat flygplan kommer att kräva mer kraft och större bränsleförbrukning för att upprätthålla flygningen, och stabiliteten och styrbarheten kommer att påverkas allvarligt. Bristande förståelse för effekterna av vikt och balans på luftfartygets prestanda, särskilt i kombination med sådana prestandaminskande faktorer som hög densitetshöjd, frost eller is på vingarna, låg motoreffekt, svåra eller okoordinerade manövrar och nödsituationer, är en viktig faktor för många olyckor.”
Beräkning av vikt & Balans
Vikt och balans har sin bästa analogi i form av en hävstång och en vridpunkt (tänk på en tipptolpe). Om den är perfekt balanserad på punkten kommer hävstången att vara helt jämn. Om man lägger någon vikt på hävstången rubbas balansen, och hur mycket inflytande vikten har beror på dess placering på hävstången. Ju större avstånd från punkten, desto större inflytande.
För att återställa hävstångens balans måste du lägga till en viss vikt på andra sidan punkten (se figur 2). Avståndet som vikten befinner sig från punkten är armen, och när du multiplicerar vikten med armen får du viktens moment, eller hur mycket kraft den utövar (mer om detta senare).
För att försäkra dig om att ditt flygplan är i balans – att dess tyngdpunkt ligger inom dess gränser – beräknar du dess vikt och balans för olika konfigurationer före flygning för att bestämma tyngdpunktens placering, vilket är ett matematiskt bevis på att flygplanet är korrekt lastat. Eftersom du bygger ditt flygplan vill du beräkna flera förhållanden för att kunna beräkna vissa belastningar ytterligare.
De vikt- och balansberäkningar som presenteras (tabell 1) gäller en typisk RV-8, och det grundläggande mantrat för alla vikt- och balansberäkningar är: vikt multiplicerat med arm är lika med moment. Du fyller i utrymmena med vikterna för bränsle, bagage och passagerare i förekommande fall och multiplicerar dem sedan med armen för att få fram varje objekts moment. (Tomvikten, armen och momentet för ditt flygplan är konstanta, och du bestämmer dem när du väger din hemmabyggda bil, vilket vi diskuterar härnäst.)
För att bestämma placeringen av husbilens tyngdpunkt adderar du summan av vikt- och momentkolumnerna. Dela sedan det totala momentet (141 827,74) med den totala vikten (1 691) för att få fram tyngdpunktens placering (141 827,74/1 691=83,87).
RV-8:s tyngdpunktsintervall sträcker sig från 78,70 till 86,82 tum akter om datumet, och 83,87 faller inom det föreskrivna intervallet. RV-8:s maximala bruttovikt är 1 800 pund, så 1 691 pund ligger inom detta område. Från dessa beräkningar har vi matematiskt bevisat våra vikt- och balansdata.
Tyngdpunktens placering när du startar kanske inte är densamma som när du landar eftersom det bränsle som förbrukas förändrar vikten vid bränsletankarnas station. I vissa flygplan flyttas tyngdpunkten bakåt när bränsle förbrukas, och om de andra vikterna i flygplanet inte är korrekt lastade kan tyngdpunkten befinna sig vid eller bakom sin bakre gräns när det är dags att landa.
Med några enkla beräkningar kan du fastställa olika lastningsscenarier för ditt flygplan. Du kommer att vilja beräkna provbelastningar som resulterar i dessa CG-positioner:
– Tyngdpunkt vid tomvikt
– Typisk belastning med fullt bränsle
– Typisk belastning med minimalt bränsle
– Mest framåtriktad tyngdpunktsbelastning
– Mest bakåtriktad tyngdpunktsbelastning
– Maximal belastning med fullt bränsle
– Maximal belastning efter flygning med minimalt bränsle
Avhängig av ditt flygplan, kanske du vill lägga till andra scenarier. Om ditt flygplan till exempel är avsett för aerobatik, vill du beräkna belastningar som resulterar i tyngdpunktslägen som är lämpliga för aerobatik. I båda fallen beräknar du flygplanets tyngdpunkt vid tomvikt en gång – såvida du inte lägger till, drar ifrån eller ändrar dess fasta utrustning, och då måste du räkna ut det igen.
Väga ditt flygplan
För att bestämma flygplanets tomvikt och tyngdpunkt vid tomvikt (EWCG) måste du väga det. Och för att väga ditt flygplan måste du skaffa rätt vågar. Vissa byggare använder badrumsvågar, men med tanke på vikten av korrekt vikt- och balansinformation för säkerheten vid varje flygning du gör med flygplanet, ska du låna eller hyra plattformsvågar som har kalibrerats för noggrannhet. (Visst är säkerheten för dig och dina passagerare värd hyran.)
En typisk våg som används för flygplan. Om dina vågar står på hjul ska du se till att de är ordentligt kuggade så att de inte rör sig när du rullar ditt flygplan på dem.
I en hangar, där vinden inte kan blåsa på flygplanet och orsaka svängningar i vikten, ska du väga ditt flygplan i tomt skick. I allmänhet innebär ”tomvikt” vikten av flygplansskrov, motorer, all permanent installerad (fast) utrustning, oanvändbart bränsle (restbränsle), olja som inte kan tömmas, hydraulvätska och fast ballast.
För att hålla reda på vilken ”fast” utrustning du har inkluderat i tomvikten, från motor och propeller till hjulbyxor, ska du skapa en utrustningslista. Du bör väga flygplanet i dess flygfärdiga konfiguration, vilket innebär att alla kåpor, dörrar, kapell etc. är i sina positioner under flygning.
Innan du ställer flygplanet på vågen ska du samla all den utrustning som du kommer att behöva. Detta innefattar kilar, domkrafter, utjämningsutrustning, lodbultar, kritor, måttband osv. Bygg vid behov ramper som gör att du kan rulla in flygplanet på vågen. Om ditt flygplan är en taildragger, ska du ha ett stativ som är kompatibelt med svanshjulet och som håller flygplanets svans i en jämn flygställning.
När du väljer en hangar där du ska väga ditt flygplan så att det är ute i vinden, vilket kan orsaka mindre än perfekt noggrannhet, ska du se till att hangaren har ett slätt golv, eftersom du kommer att göra en del kritstreck på det. Om din våg står på hjul (vilket är typiskt) ska du se till att de är ordentligt fastlåsta så att de inte rör sig när du rullar ditt flygplan på dem. När flygplanet står på vågen ska du låsa hjulen; använd inte parkeringsbromsen eftersom det medför fel. Se till att du väger flygplanets kilar innan du väger flygplanet.
När du står på vågen ska du se till att flygplanet befinner sig i en jämn flygställning så att alla komponenter befinner sig på rätt avstånd från referenspunkten, vilket resulterar i den mest exakta informationen. Använd det utjämningsförfarande som rekommenderas av konstruktören. Registrera sedan de vikter som anges av de tre vågarna (noshjul eller svanshjul, vänster huvudhjul och höger huvudhjul) – och subtrahera sedan vikten av respektive hjulkilar.
Ta inte bort flygplanet från vågen efter att du har vägt det – du måste mäta den exakta placeringen av vissa nyckelkomponenter. Det enklaste och mest exakta sättet att göra detta är att använda ett lod och ett kritstreck. På golvet markerar du en kritlinje som är parallell med flygplanets mittlinje. Använd ett lod för att överföra referensdatumets och de andra komponenternas placering till kritstrecket. Mät sedan komponenternas avstånd från referenspunkten. Konstruktören bör inkludera en lista över komponenterna, och denna lista omfattar vanligtvis säten, bränsletankar, bagageutrymmen samt huvud- och nos/svanshjul.
Ett bra sätt att se till att du registrerar alla nödvändiga vikter och mått är att skapa ett formulär som tabell 1 eller 2. När de erforderliga vikterna och/eller armnumren är ifyllda är du klar – med vägning och mätning. Nu är det dags att göra lite matematik. (För att göra livet ännu enklare kan du skapa tabellerna med hjälp av ett kalkylprogram, t.ex. Microsoft Excel, så att det gör matematiken åt dig. Som en extra fördel kan du använda kalkylbladet för att beräkna ditt flygplans vikt och balans för alltid. Allt du behöver göra är att sätta in siffrorna för de variabla vikterna som passagerare och bagage.)
Matematik för vikt och balans är inte svårt om du kommer ihåg W&B-mantrat: vikt gånger arm är lika med moment. I tabell 2 används hypotetiska siffror för RV-8, och efter att du har beräknat momentet för varje hjul summerar du kolumnerna för vikt och moment. För att hitta tyngdpunkten vid tomvikt, vänd på W&B-mantrat: dividera det totala momentet med den totala vikten. Genom att göra detta för siffrorna i tabell 2 får vi veta att RV-8:s EWCG ligger 76,26 tum från referensdatumet (81 525,64/1 069=76,26).
Du kanske noterar att EWCG faller utanför RV-8:s fastställda tyngdpunktsområde (78,70 till 86,82 tum efter datumet), men det är okej eftersom RV-8:an inte kommer att flyga utan pilot, bränsle, olja, osv. Vikterna av dessa viktiga komponenter kommer att föra CG inom kuvertet.
Ballast
I de flesta fall, om du bygger ditt flygplan enligt konstruktörens specifikationer och inte lägger till en massa tung utrustning, bör ditt flygplans CG ligga inom det föreskrivna kuvertet. Men om du gör vissa ändringar, eller om du är större eller mindre än genomsnittspersonen, kan du behöva lägga till lite ballast för att se till att tyngdpunkten håller sig säkert inom kuvertet.
Ballast innebär inte alltid att man permanent lägger till död, värdelös vikt till flygplanet. Försök att flytta några tunga komponenter, t.ex. batteriet. Om ditt flygplan till exempel är för näs-tungt och batteriet sitter under motorhuven kan du flytta batteriet bakåt. Hur långt? I Aircraft Weight and Balance Handbook, FAA-H-8083-1, anges de nödvändiga formlerna och du får en genomgång av dem.
Avhängigt av ditt flygplan kan du under vissa lastförhållanden behöva tillfällig ballast för att flytta tyngdpunkten dit den hör hemma (innanför kuvertet). Den bästa lösningen är att lägga till eller dra av vikt i bagageutrymmet eller att ändra sittplatserna för passagerare med olika vikt (om det är möjligt).
En noggrann vägning, mätning och beräkning av din hemmabyggda flygplans vikt och balans är det första steget för att garantera en säker flygning, första provflygning eller inte. Beräkna de olika lastförhållanden som du kan stöta på med ditt flygplan och ha dem redo för FAA-inspektören när han eller hon inspekterar ditt flygplan.
Håll dig i minnet att vikt- och balansdokumentationen är en del av det pappersarbete som alltid måste finnas ombord på flygplanet. Den ska visa tomvikt, tomvikts-CG, mest framåtriktade och mest bakåtriktade gränser samt provbelastningar. (Satstillverkaren eller konstruktören kommer att tillhandahålla de främre och bakre CG-gränserna och den maximala bruttovikten.)
Att lasta flygplanet på rätt sätt är upp till dig, och det är absolut nödvändigt för säker drift. Om du är osäker på om CG ligger inom säkerhetsområdet, ta dig tid att beräkna och verifiera dess placering.
Referenser & Termer
Som andra aspekter av flygning har vikt och balans sin egen uppsättning termer, och nedan finns de vanligaste. Definitionerna kommer från FAA:s nyligen uppdaterade Aircraft Weight and Balance Handbook, FAA-H-8083-1.
I åtta välillustrerade kapitel lär handboken ut nästan allt piloter, underhållstekniker – och hemmabyggare – behöver veta om vikt och balans, från teori och dokumentation till en utmärkt beskrivning av hur man gör för att väga och räkna ut ett flygplans vikt och balans. Den finns tillgänglig i de flesta pilotbutiker och postorderföretag.
Andra bra referenser är 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, och FAA:s Airframe and Powerplant Mechanics General Handbook, AC 65-9A. Dessa dokument finns tillgängliga från Government Printing Office och Government Book Stores, och alla FAA-dokument och föreskrifter finns tillgängliga på cd-rom från Summit Aviation på www.summitaviation.com eller genom att ringa 800/328-6280.
Arm – Även kallad momentarm och vanligen mätt i tum, är det horisontella avståndet från referenspunkten till ett objekt, t.ex. de främre passagerarsätena eller det bakre bagagerummet. Om armen mäts bakom referenspunkten har den ett plustecken (+) före siffran, och alla siffror kommer att vara positiva om referenspunkten är på flygplanets nos. Om datumet är vingens framkant, föregås armmätningar framför denna punkt av ett minustecken (-).
Tyngdpunkt (CG) – Den punkt där ett flygplan skulle balansera om det hängde i den punkten. Det är centrum för luftfartygets massa och den teoretiska punkt där luftfartygets vikt antas vara koncentrerad. Dess avstånd från referenspunkten bestäms genom att dividera det totala momentet med luftfartygets totala vikt.
Tyngdpunktsgränser – De extrema främre och bakre CG-positionerna (mätt i tum från referenspunkten) inom vilka luftfartyget måste användas vid en viss vikt för att flyga säkert.
Tyngdpunkt för tomvikt (EWCG)-Ett luftfartygs CG när det endast innehåller de föremål som anges i luftfartygets tomvikt. Detta nummer tjänar inget annat syfte än att användas som grund för beräkningar av tyngdpunkten när andra föremål läggs till. Du beräknar detta nummer när du väger luftfartyget.
Tomma vikt – Vikten av flygplansskrov, motorer, all permanent installerad (fast) utrustning, oanvändbart bränsle (restbränsle), olja som inte kan tömmas, hydraulvätska och fast ballast.
Nivelleringsdatum – En punkt på flygplansskrovet där du kan placera en vattenpassare för att avgöra när luftfartyget är helt jämnt för vägning.
Maximala bruttovikt – Maximal tillåten vikt för luftfartyget och all dess utrustning. Den fastställs av konstruktören eller kittillverkaren och är en rekommenderad vikt som du inte bör överskrida. Den aerobatiska bruttovikten är den maximala vikt som luftfartygskonstruktionen klarar av vid 6-G-gränsen för kategorin akrobatiska luftfartyg.
Mean Aerodynamic Chord (MAC)-Det genomsnittliga avståndet från vingens främre kant till dess bakre kant. MAC används oftast för stora flygplan med svepande vingar och är den genomsnittliga längden på en tänkt vinge som har samma aerodynamiska egenskaper som den verkliga vingen, och flygplanets tyngdpunkt uttrycks i procent av MAC, vilket anger tyngdpunkten i förhållande till själva vingen.
Moment – En kraft som orsakar eller försöker orsaka att ett objekt roterar. Denna kraft mäts i pound-inches (lb/in) och är produkten av ett föremåls vikt multiplicerad med dess arm. Exempelvis skulle 200 pund bränsle som är placerat 40 tum från referenslinjen ha ett moment på 8 000 lb/in. Det totala momentet är luftfartygets vikt multiplicerat med avståndet mellan referenspunkten och tyngdpunkten.
Referenspunkt – Ett tänkt vertikalt plan eller en linje från vilken alla horisontella avstånd (momentarmar) mäts för balansändamål. Det finns ingen fast regel om datumets placering. Vanligtvis är det på flygplanets nos (spinnarens punkt) eller vingarnas framkant.
Station – En plats längs flygplanets skrov, vanligtvis mätt i tum från referenspunkten.
Nyttig last – Skillnaden mellan flygplanets tomvikt och maxvikt. Det är den vikt som ett flygplan kan bära som användbart bränsle och olja, passagerare och bagage.