Центр тяжести самолета

Центр тяжести (ЦТ) самолета — это точка, над которой самолет будет балансировать. Его положение рассчитывается после установки самолета как минимум на два комплекта весов или датчиков веса и учета веса, показанного на каждом наборе весов или датчиков веса. Центр тяжести влияет на устойчивость самолета. Чтобы обеспечить безопасность полета самолета, центр тяжести должен находиться в пределах, установленных производителем самолета.

Терминология

Носовой багажный отсек Fokker F.XII в 1933 году, позволяющий избежать проблемы тяжелого веса сзади.

Балласт

Балласт — это съемный или постоянно установленный груз на воздушном судне, используемый для приведения центра тяжести в допустимый диапазон.

Пределы центра тяжести

Пределы центра тяжести (ЦТ) — это установленные продольные (впереди и назад) и/или боковые (слева и справа) пределы, в пределах которых должен находиться центр тяжести самолета во время полета. Предельные значения ЦТ указаны в руководстве по летной эксплуатации самолета. Область между пределами называется дальностью центровки самолета.

Вес и баланс

Когда вес воздушного судна находится на уровне или ниже допустимого предела(ов) для его конфигурации (стоянка, движение по земле, взлет, посадка и т. д.), а его центр тяжести находится в допустимом диапазоне, и оба остаются таковыми. Говорят, что на протяжении всего полета самолет находится в пределах веса и балансировки . Для разных ситуаций могут быть определены разные максимальные веса; например, у больших самолетов максимальная посадочная масса может быть ниже максимальной взлетной массы (поскольку ожидается, что некоторая часть веса будет потеряна из-за сгорания топлива во время полета). Центр тяжести может меняться в течение полета по мере изменения веса самолета из-за сгорания топлива или движения пассажиров вперед или назад в салоне.

Справочная база данных

Базовая точка — это базовая плоскость, которая позволяет проводить точные и однородные измерения в любой точке самолета. Местоположение опорной точки устанавливается изготовителем и определяется в руководстве по летной эксплуатации самолета. Горизонтальная исходная точка представляет собой воображаемую вертикальную плоскость или точку, расположенную вдоль продольной оси самолета, от которой измеряются все горизонтальные расстояния для целей взвешивания и балансировки. Не существует фиксированных правил относительно его расположения, и он может располагаться в носовой части самолета. У вертолетов он может быть расположен на мачте несущего винта, в носовой части вертолета или даже в точке пространства перед вертолетом. Хотя горизонтальная исходная точка может находиться в любом месте по выбору производителя, у большинства небольших учебных вертолетов горизонтальная исходная точка находится на расстоянии 100 дюймов вперед от осевой линии вала несущего винта. Это делается для того, чтобы все вычисленные значения были положительными. Боковая точка отсчета обычно расположена в центре вертолета.

Рука

Плечо — это горизонтальное расстояние от исходной точки отсчета до центра тяжести (ЦТ) предмета. Алгебраический знак равен плюсу (+), если измерено позади исходной точки или справа от центральной линии при расчете поперечного сечения. Алгебраический знак равен минус (-), если измеряется вперед от исходной точки или слева от центральной линии при расчете поперечного сечения.

Момент

Момент — это момент силы, или крутящий момент , возникающий в результате действия веса объекта по дуге, центр которой находится в нулевой точке опорного базового расстояния. Момент также называют тенденцией объекта вращаться или поворачиваться вокруг точки (в данном случае нулевой точки исходной точки). Чем дальше объект находится от этой точки, тем большую силу он оказывает. Момент рассчитывается путем умножения веса объекта на его плечо.

Средняя аэродинамическая хорда (MAC)

Особая линия хорды конического крыла. На средней аэродинамической хорде центр давления имеет ту же аэродинамическую силу, положение и площадь, что и на остальной части крыла. MAC представляет собой ширину эквивалентного прямоугольного крыла в данных условиях. На некоторых самолетах центр тяжести выражается в процентах от длины MAC. Чтобы выполнить такой расчет, положение переднего фронта MAC должно быть известно заранее. Это положение определяется как расстояние от исходной точки и находится в руководстве по летной эксплуатации самолета , а также в паспорте сертификата типа самолета. Если общий MAC не указан, но указаны LeMAC (средняя аэродинамическая хорда передней кромки) и TeMAC (средняя аэродинамическая хорда задней кромки) (оба из которых будут считаться плечом, измеренным от базовой линии), тогда ваш MAC может можно найти, найдя разницу между вашим LeMAC и вашим TeMAC.

Расчет

Образец диаграммы огибающей момента центра тяжести, показывающий, что нагруженный самолет массой 2367 фунтов (1074 кг) с моментом 105 200 фунтов на дюйм (11886 Нм) находится в пределах диапазона «нормальной категории».

Центр тяжести (ЦТ) рассчитывается следующим образом:

• Определите вес и рычаги для всей массы самолета.
• Умножьте веса на руки для всех масс, чтобы рассчитать моменты.
• Сложите все моменты вместе.
• Сложите все веса вместе.
• Разделите общий момент на общий вес, чтобы получить общий рычаг.

Рука, полученная в результате этого расчета, должна находиться в пределах центра тяжести, установленных производителем самолета. Если это не так, вес самолета необходимо убрать, добавить (редко) или перераспределить до тех пор, пока центр тяжести не попадет в установленные пределы.

Расчеты центра тяжести самолета выполняются только вдоль одной оси от нулевой точки исходной точки, которая представляет собой продольную ось самолета (для расчета продольного баланса). В некоторых типах вертолетов используются как продольные, так и боковые ограничения ЦТ. Эксплуатация таких вертолетов требует расчета ЦТ по двум осям: один расчет для продольного ЦТ (баланс вперед-назад) и другой расчет для поперечного ЦТ (баланс слева направо).

Значения веса, плеча и момента неподвижных элементов на самолете (т. е. двигателей, крыльев, электронных компонентов) не изменяются и указываются производителем в Списке авиационного оборудования. Производитель также предоставляет информацию, облегчающую расчет моментов для топливных загрузок. Съемные весовые предметы (т. е. члены экипажа, пассажиры, багаж) должны быть надлежащим образом учтены эксплуатантом воздушного судна при расчете веса и центра тяжести.

Пример

	Вес (фунты)	Рука (внутри)	Момент (фунт-дюйм)
Пустой самолет	1,495.0	101.4	151,593.0
Пилот и пассажиры	380.0	64.0	24,320.0
Топливо (30 галлонов по 6 фунтов/галлон)	180.0	96.0	17,280.0
Итоги	2,055.0	94.0	193,193.0

Чтобы найти центр тяжести, мы делим общий момент на общий вес: 193 193/2 055 = 94,01 дюйма позади базовой плоскости.

В более крупных самолетах вес и балансировка часто выражаются в процентах от средней аэродинамической хорды или MAC. Например, предположим, что передняя кромка MAC находится на расстоянии 62 дюймов позади исходной точки. Таким образом, рассчитанная выше центр тяжести находится на расстоянии 32 дюймов позади передней кромки MAC. Если длина MAC составляет 80 дюймов, процент MAC составляет 32/80 = 40%. Если бы допустимые пределы составляли от 15% до 35%, самолет не был бы загружен должным образом.

Неправильный вес и балансировка самолетов.

Центр тяжести British Aerospace 146 сместился назад, когда двигатели были сняты. В результате в ветреную погоду он перевернулся на заднюю часть фюзеляжа.

Когда вес или центр тяжести воздушного судна выходят за пределы допустимого диапазона, воздушное судно может быть не в состоянии поддерживать полет или может оказаться невозможным поддерживать воздушное судно в горизонтальном полете при некоторых или всех обстоятельствах, а в некоторых случаях возникает нагрузка переключение . Выход центра тяжести или веса самолета за пределы допустимого диапазона может привести к неизбежному крушению самолета.

Центр тяжести вне диапазона

Когда продольный центр тяжести (ЦТ) выходит за пределы допустимого диапазона, могут возникнуть серьезные проблемы с управлением самолетом. Передняя часть центра тяжести влияет на продольную устойчивость самолета: устойчивость увеличивается по мере движения центра тяжести вперед и уменьшается по мере движения центра тяжести назад. При переднем положении центра тяжести, хотя устойчивость самолета увеличивается, возможности управления рулем высоты уменьшаются в плане возможности поднять нос самолета. Это может вызвать серьезные проблемы во время посадочного выравнивания, когда нос не может быть поднят достаточно, чтобы замедлить самолет. Положение центра тяжести в кормовой части может вызвать серьезные проблемы с управлением из-за снижения устойчивости по тангажу и повышенной чувствительности управления рулем высоты с потенциальной потерей управления самолетом. Поскольку сжигание топлива постепенно приводит к потере веса и, возможно, к смещению центра тяжести, самолет может взлететь с центром тяжести в пределах нормального рабочего диапазона, но позже у него возникнет дисбаланс, который приведет к проблемам с управлением. Это необходимо учитывать при расчетах ЦТ (часто часть этого значения рассчитывается производителем заранее и включается в пределы ЦТ).

Регулировка центра тяжести в пределах допустимого

Величину, которую необходимо переместить, можно найти по следующей формуле:

shift distance = (total weight * cg change) / weight shifted

Пример:

1500 lb * 33.9 in = 50,850 moment (airplane)
100 lb * 68 in = 8,400 moment (baggage)
cg = 37 in = (50,850 + 8,400) / 1600 lb (1/2 in out of cg limit)

Мы хотим перевезти CG 1, используя сумку весом 100 фунтов в багажном отделении.

shift dist = (total weight * cg change) / weight shifted
16 in = (1600 lb * 1 in) / 100 lb

Переработка проблемы с перемещением веса 100 фунтов на 16 дюймов вперед до 68 дюймов, ход ЦТ на 1 дюйм.

1500 lb * 33.9 in = 50,850 moment (airplane)
100 lb * 84in = 6,800 moment (baggage)
cg = 36 in = (50,850 + 6,800) / 1600 lb
new cg = 36 in

Вес вне диапазона

Немногие самолеты устанавливают минимальный вес для полета (хотя минимальный вес пилота часто указывается), но все устанавливают максимальный вес. Если максимальный вес будет превышен, воздушное судно может оказаться не в состоянии достичь или поддерживать управляемый полет. Чрезмерный взлетный вес может сделать невозможным взлет в пределах доступной длины взлетно-посадочной полосы или может полностью помешать взлету. Чрезмерный вес в полете может затруднить или сделать невозможным набор высоты выше определенной высоты или сделать невозможным поддержание высоты.

Неправильный вес и балансировка вертолетов.

Центр тяжести для вертолетов еще более важен, чем для самолетов (проблемы с весом остаются прежними). Как и в случае с самолетами, вертолет может быть правильно загружен для взлета, но ближе к концу длительного полета, когда топливные баки почти пусты, центр тяжести может сместиться настолько, что вертолет выйдет из равновесия в поперечном или продольном направлении. У вертолетов с одним несущим винтом центр тяжести обычно располагается близко к мачте несущего винта. Неправильная балансировка нагрузки на вертолет может привести к серьезным проблемам с управлением. Помимо затруднения управления вертолетом, дисбаланс нагрузки также снижает маневренность, поскольку циклическое управление менее эффективно в направлении, противоположном расположению ЦТ.

Пилот пытается идеально сбалансировать вертолет так, чтобы фюзеляж оставался горизонтальным в полете в режиме зависания, без необходимости управления циклическим шагом, за исключением поправки на ветер. Поскольку фюзеляж действует как маятник, подвешенный к несущему винту, изменение центра тяжести меняет угол, под которым самолет подвешивается к несущему винту. Когда центр тяжести находится прямо под несущей мачтой, вертолет висит горизонтально; если центр тяжести находится слишком далеко впереди мачты, вертолет зависает с наклоненным вниз носом; если центр тяжести находится слишком далеко позади мачты, нос запрокидывается вверх.

CG вперед за пределами лимита вперед

Центр тяжести вперед может возникнуть, когда тяжелый пилот и пассажир взлетают без багажа или надлежащего балласта, расположенного позади мачты несущего винта. Эта ситуация усугубляется, если топливные баки расположены позади мачты несущего винта, поскольку по мере сгорания топлива вес, расположенный позади мачты несущего винта, становится меньше.

Это состояние можно распознать при переходе в режим зависания после вертикального взлета. Вертолет будет иметь опущенную носовую часть, и пилоту потребуется чрезмерное смещение циклического управления назад для поддержания зависания в безветренных условиях. В этом состоянии пилот может быстро потерять контроль над циклическим движением назад, поскольку вертолет расходует топливо. Пилот также может оказаться неспособным замедлиться настолько, чтобы остановить вертолет. В случае отказа двигателя и, как следствие, авторотации , пилоту может не хватить циклического управления, чтобы правильно выполнить посадку.

Центр тяжести вперед не будет столь заметен при висении при сильном ветре, поскольку требуется меньшее циклическое смещение назад, чем при висении без ветра. При определении существования критического состояния баланса важно учитывать скорость ветра и ее связь со смещением назад циклического органа управления.

Центр тяжести позади кормового предела

Без надлежащего балласта в кабине превышение центра тяжести в кормовой части может произойти в следующих случаях:

• Легкий пилот взлетает в одиночку с полным запасом топлива, расположенным за несущей мачтой.
• Легкий пилот взлетает с максимально разрешенным багажом в багажном отсеке, расположенном за мачтой несущего винта.
• Легкий пилот взлетает с багажом и большим количеством топлива, причем оба они находятся позади мачты несущего винта.

Состояние задней центра тяжести может быть распознано пилотом при переходе в режим висения после вертикального взлета. Вертолет будет иметь положение с опущенным хвостом, и пилоту потребуется чрезмерное смещение вперед циклического управления для поддержания зависания в безветренных условиях. Если есть ветер, пилоту нужен еще больший цикл вперед. Если полет продолжится в таких условиях, пилот может обнаружить, что он не сможет лететь в верхнем допустимом диапазоне скоростей из-за недостаточного циклического управления движением вперед для поддержания положения с опущенным носом. Кроме того, при сильном отклонении центра тяжести назад порывистый или порывистый воздух может разогнать вертолет до скорости, превышающей ту, которая достигается при полном циклическом управлении вперед. В этом случае асимметрия подъемной силы и взмахов лопастей может привести к наклону диска несущего винта назад. При уже включенном циклическом управлении полным движением вперед диск несущего винта может оказаться неспособным опуститься, что приведет к возможной потере управления или к удару лопастей несущего винта о хвостовую балку.

Боковой баланс

В самолетах с неподвижным крылом боковой баланс часто гораздо менее важен, чем продольный баланс, просто потому, что большая часть массы самолета расположена очень близко к его центру. Исключением является топливо, которое можно загружать в крылья, но поскольку загрузка топлива обычно симметрична относительно оси самолета, боковой баланс обычно не нарушается. Боковой центр тяжести может стать важным, если топливо неравномерно загружено в баки с обеих сторон самолета или (в случае небольшого самолета), когда пассажиры преимущественно находятся на одной стороне самолета (например, пилот, летящий в одиночку). в небольшом самолете). Небольшие боковые отклонения ЦТ, находящиеся в пределах допустимых значений, могут вызвать раздражающую тенденцию к крену, которую пилоты должны компенсировать, но они не опасны, пока ЦТ остается в пределах допустимых значений на протяжении всего полета.

Для большинства вертолетов обычно нет необходимости определять боковую центральную точку для обычных учебных полетов и пассажирских полетов. Это связано с тем, что кабины вертолета относительно узкие, а большая часть дополнительного оборудования расположена вблизи центральной линии. Однако в руководствах к некоторым вертолетам указано место, с которого необходимо выполнять самостоятельный полет. Кроме того, если возникает необычная ситуация, например, тяжелый пилот и полная заправка топлива на одной стороне вертолета, которая может повлиять на боковую центральную точку, его положение следует проверить по огибающей центральной точки. При переносе внешних грузов в положении, требующем большого бокового циклического смещения органов управления для поддержания горизонтального полета, эффективность циклического движения вперед и назад может быть существенно ограничена.

Слив топлива и перевесные операции

Многие крупные самолеты транспортной категории способны взлетать с большим весом, чем приземляться. Это возможно потому, что вес топлива, который крылья могут выдержать по размаху в полете, при стоянке или рулении на земле, больше, чем они могут выдержать во время нагрузки при посадке и приземлении, когда поддержка не распределена по длине крыла. размах крыла.

Обычно часть веса самолета, превышающая максимальную посадочную массу (но попадающая в пределы максимальной взлетной массы), полностью состоит из топлива. Во время полета топливо сгорает, и к моменту готовности самолета к приземлению его масса оказывается ниже максимальной посадочной массы. Однако, если самолет должен приземлиться раньше, иногда топливо, оставшееся на борту, все равно удерживает самолет выше максимальной посадочной массы. В этом случае самолет должен либо сжечь топливо (выполняя полет в режиме ожидания), либо сбросить его (если самолет оборудован для этого) перед приземлением, чтобы избежать повреждения самолета. В чрезвычайной ситуации самолет может решить приземлиться с избыточным весом, но это может привести к его повреждению, и, по крайней мере, приземление с избыточным весом потребует тщательной проверки на наличие каких-либо повреждений.

В некоторых случаях самолет может намеренно взлететь с лишним весом. Примером может служить самолет, перегоняемый на очень большое расстояние с дополнительным топливом на борту. Взлет с избыточным весом обычно требует исключительно длинной взлетно-посадочной полосы. Перевозки с грузом, находящимся на борту, не допускаются.

У многих самолетов меньшего размера максимальная посадочная масса равна максимальной взлетной массе, и в этом случае не могут возникнуть проблемы приземления с избыточным весом из-за избытка топлива на борту.

Компьютерная графика больших коммерческих транспортных самолетов

В этом разделе показаны данные, полученные в рамках исследовательского гранта НАСА Эймса для крупных коммерческих транспортных самолетов.

Коэффициенты CG для транспортных самолетов

Компьютерная графика компонентов и систем

Диапазон CG типичного транспортного самолета

Рабочий диапазон ЦТ используется на этапах взлета и посадки полета, а допустимый диапазон ЦТ используется во время наземных операций (т. е. при загрузке самолета пассажирами, багажом и топливом).

Несчастные случаи

• Рейс 5481 Air Midwest : в январе 2003 года самолет Beech 1900D был отправлен с массой, превышающей его максимальный вес более чем на 500 фунтов (230 кг), и в основном в задней части, поэтому его центр тяжести находился на 5% позади. Он разбился, в результате чего погиб весь 21 человек, находившийся на борту.
• В феврале 2005 года самолет Challenger 600 вылетел из Тетерборо, штат Нью-Джерси , загруженный настолько вперед, что вышел за пределы центра тяжести и не мог вращаться , врезался через ограждение аэропорта в здание, серьезно ранив трех пассажиров и уничтожив самолет.
• В августе 2010 года самолет Filair Let L-410 разбился в Демократической Республике Конго. Сообщается, что авария произошла в результате того, что пассажиры бросились к передней части самолета, спасаясь от крокодила, тайно пронесенного на борт одним из пассажиров. Этот шаг нарушил баланс самолета до такой степени, что управление самолетом было потеряно.
• В июле 2013 года самолет de Havilland Canada DHC-3 Otter вылетел из Солдотны, Аляска , заглох после вращения и разбился в 2300 футах (700 м) от точки отпускания тормозов, поскольку он был перегружен на 418 фунтов (190 кг), а его центр тяжести был отклонен. значительно позади задней границы. Все десять пассажиров погибли.

См. также

• Указатель авиационных статей
• Распределение веса

Дальнейшее чтение

• Фред Джордж (22 июня 2018 г.). «Целостность веса самолета: важность знания истинного веса» . Деловая и коммерческая авиация. Сеть «Авиационная неделя» .