Центр тяжести самолета

Центр гравитации (CG) самолета - это точка, над которой самолет будет баланс. Его положение рассчитывается после поддержки самолета, по крайней мере, на двух наборах масштабов взвешивания или нагрузки и отмечает вес, показанный на каждом наборе шкал или нагрузочных ячеек. Центр тяжести влияет на стабильность самолета. Чтобы самолет был безопасным для летания, центр тяжести должен падать в пределах определенных пределов, установленных производителем самолетов.

Терминология

Багажный отсек для носа Fokker F.xii в 1933 году, избегая проблемы тяжелых весов в задней части

Балласт

Балласт съемный или постоянно устанавливается вес в самолете, используемом для введения центра тяжести в допустимый диапазон.

Ограничения центра гравита

Ограничения центра тяжести (CG) указываются продольные (вперед и aft) и/или боковые (левый и правый) пределы, в рамках которых центр тяжести самолета должен быть расположен во время полета. Пределы CG указаны в Руководстве по полету самолета. Площадь между пределами называется диапазоном CG самолета.

Вес и баланс

Когда вес самолета находится на или ниже допустимого предела (ов) для его конфигурации (припаркованная, движение земли, взлета, посадка и т. Д.) И его центр тяжести находится в пределах допустимого диапазона, и оба останутся такими На протяжении всего полета, как говорят, самолет находится в пределах веса и баланса . Различные максимальные веса могут быть определены для разных ситуаций; Например, крупные самолеты могут иметь максимальные веса посадки, которые ниже максимального веса взлета (поскольку ожидается, что некоторый вес будет потерян, когда топливо сжигается во время полета). Центр тяжести может измениться на протяжении всего периода полета, поскольку веса самолета изменяется из -за ожога топлива или пассажирами, движущимися вперед или в корме в салоне.

Справочная база

Справочная база представляет собой эталонную плоскость, которая допускает точные и равномерные измерения в любую точку на самолете. Расположение эталонной базы установлено производителем и определено в Руководстве по полету самолета. Горизонтальная эталонная база представляет собой воображаемую вертикальную плоскость или точку, расположенную вдоль продольной оси самолета, из которой все горизонтальные расстояния измеряются для целей веса и баланса. Для его местоположения нет фиксированного правила, и оно может быть расположено вперед от носа самолета. Для вертолетов он может быть расположен у мачты ротора, носа вертолета или даже в точке в космосе перед вертолетом. В то время как горизонтальная эталонная база может быть везде, где выбирает производитель, большинство небольших учебных вертолетов имеют горизонтальную эталонную датум 100 дюймов вперед от основной центральной линии вала ротора. Это должно держать все вычисленные значения положительными. Латеральная эталонная база обычно расположена в центре вертолета.

Рука

Рука представляет собой горизонтальное расстояние от эталонной батам до центра тяжести (CG) элемента. Алгебраический знак составляет плюс (+), если измерено кормовой отдача или правой стороны центральной линии при рассмотрении бокового расчета. Алгебраический знак составляет минус ( -), если измерен вперед от датума или левой стороны центральной линии при рассмотрении бокового расчета.

Мгновенный

В этот момент - момент силы или крутящего момента , который является результатом веса объекта, действующего через дугу, которая сосредоточена на нулевой точке эталонного расстояния датума. Момент также называется тенденцией объекта вращать или поворачивать вокруг точки (нулевая точка данных, в данном случае). Чем дальше объект с этого момента, тем больше сила, которую он оказывает. Момент рассчитывается путем умножения веса объекта на его руку.

Средний аэродинамический аккорд (MAC)

Конкретная линия аккордов конического крыла. При среднем аэродинамическом аккорде центр давления имеет ту же аэродинамическую силу, положение и область, что и на остальной части крыла. Mac представляет ширину эквивалентного прямоугольного крыла в заданных условиях. На некоторых самолетах центр тяжести выражается в процентах от длины Mac. Чтобы сделать такой расчет, положение переднего края Mac должно быть известно заранее. Эта позиция определяется как расстояние от эталонной базы и находится в Руководстве по полету самолета , а также в листе данных сертификата типа самолета. Если общий Mac не дан, а LEMAC (средний аэродинамический аккорд) и TEMAC (средний аэродинамический аккорд с прицелом (средний крайний край) (оба из которых будут ссылаться как рука, измеренная из линии данных), тогда ваш Mac может Найдите, найдя разницу между вашим LEMAC и вашим Temac.

Расчет

Образец конверта CG-момента, показывающий, что загруженная плоскость весит 2367 фунтов (1074 кг) с моментом 105 200 фунтов (11886 Нм), находится в конверте «нормальная категория».

Центр тяжести (CG) рассчитывается следующим образом:

• Определите вес и руки для всей массы внутри самолета.
• Умножьте веса на руки для всей массы для расчета моментов.
• Добавьте все моменты вместе.
• Добавьте все веса вместе.
• Разделите общий момент на общий вес, чтобы дать общую руку.

Рука, полученная в результате этого расчета, должна находиться в пределах центра тяжести, продиктованных производителем самолетов. Если это не так, вес в самолете должен быть удален, добавлен (редко) или перераспределен до тех пор, пока центр тяжести не попадет в установленные пределы.

Расчеты воздушного судна проводятся только вдоль одной оси от нулевой точки эталонной батам, которая представляет продольную ось самолета (для расчета баланса передового к воздействию). Некоторые типы вертолетов используют боковые ограничения CG, а также продольные ограничения. Работа таких вертолетов требует расчета CG вдоль двух оси: один расчет для продольного CG (баланс передний к прилеганию) и еще один расчет для бокового CG (левый в правый баланс).

Значения веса, руки и момента фиксированных предметов на самолете (то есть двигателей, крыльев, электронных компонентов) не изменяются и предоставляются производителем в списке авиационного оборудования. Производитель также предоставляет информацию, облегчающую расчет моментов для топливных нагрузок. Съемные веса (т.е. члены экипажа, пассажиры, багаж) должны быть должным образом учитываться в весах и расчете CG оператором самолета.

Пример

	Вес (фунт)	Рука (в)	Момент (lb-in)
Пустой самолет	1,495.0	101.4	151,593.0
Пилот и пассажиры	380.0	64.0	24,320.0
Топливо (30 галлонов @ 6 фунтов/галлон)	180.0	96.0	17,280.0
Итоговые	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 плоскости датума.

В более крупных самолетах вес и баланс часто выражаются в процентах от среднего аэродинамического аккорда или Mac. Например, предположим, что передний край MAC составляет 62 дюйма в корме от данных. Следовательно, CG, рассчитанная выше, лежит на 32 дюйма в конце переднего края Mac. Если Mac составляет 80 дюймов в длину, процент Mac составляет 32 /80 = 40%. Если бы допустимые пределы составляли от 15% до 35%, самолет не был бы должным образом загружен.

Неправильный вес и баланс в самолете с фиксированным крылом

Центр гравитации этого британской аэрокосмической промышленности 146 сместился назад, когда его двигатели были удалены. В результате он перевернулся на задний фюзеляж в ветреных условиях.

Когда вес или центр тяжести самолета находится за пределами приемлемого диапазона, самолет может не иметь возможности поддерживать полет, или может быть невозможно поддерживать самолет в полете в некоторых или любых обстоятельствах, в некоторых случаях, что приводит к нагрузке смещение . Размещение CG или веса самолета за пределами допустимого диапазона может привести к неизбежному сбою самолета.

Центр гравитации вне диапазона

Когда центр тяжести переднего воздействия (CG) выходит за пределы диапазона, могут возникнуть серьезные проблемы с управлением самолетами. Переднее CG CG влияет на продольную стабильность самолета, при этом стабильность увеличивается по мере продвижения CG вперед и уменьшается по мере движения CG. Благодаря прямому положению CG, хотя стабильность самолета увеличивается, авторитет управления лифтом уменьшается в способности поднять нос самолета. Это может вызвать серьезное состояние во время приземления, когда нос не может быть достаточно поднят, чтобы замедлить самолет. Положение AFT CG может вызвать серьезные проблемы с обработкой из -за снижения стабильности шага и повышенной чувствительности контроля лифта с потенциальной потерей контроля самолетов. Поскольку сжигание топлива постепенно вызывает потерю веса и, возможно, сдвиг в CG, самолет может взлететь с CG в пределах нормального эксплуатационного диапазона, а затем развивает дисбаланс, который приводит к проблемам контроля. Расчеты CG должны учитывать это (часто часть этого рассчитывается заранее производителем и включается в пределы CG).

Регулировка CG в пределах

Количество, которое нужно перенести, можно найти с помощью следующей формулы

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 переместить CG 1 в использовании сумки 100 фунтов в багажном отделении.

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

Пересмотр проблемы со 100 фунтов перешла на 16 в 68 в ходе ходов CG 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 в диапазоне

Немногие самолеты накладывают минимальный вес для полета (хотя часто указывается минимальный вес пилота), но все накладывают максимальный вес. Если максимальный вес превышен, самолет может не может достичь или поддерживать контролируемый рейс. Чрезмерный вес взлета может сделать невозможным взлетом в пределах доступной длины взлетно-посадочной полосы, или это может полностью предотвратить взлет. Чрезмерный вес в полете может затруднить восхождение за пределы определенной высоты трудным или невозможным, или это может сделать невозможным поддерживать высоту.

Неправильный вес и баланс в вертолетах

Центр тяжести является еще более критичным для вертолетов, чем для самолета с фиксированным крылом (проблемы с весом остаются прежними). Как и в случае с самолетом с фиксированным крылом, вертолет может быть должным образом загружен для взлета, но ближе к концу длительного полета, когда топливные баки почти пусты, CG, возможно, сместился достаточно, чтобы вертолет был вышел из равновесия сбоку или продольно. Для вертолетов с одним основным ротором CG обычно близко к основной мачте ротора. Неправильный баланс нагрузки вертолета может привести к серьезным проблемам с контролем. В дополнение к тому, что на вертолете трудно контролировать, условие нагрузки вне баланса также уменьшает маневренность, поскольку циклический контроль менее эффективен в направлении, противоположном расположению CG.

Пилот пытается идеально сбалансировать вертолет, так что фюзеляж оставался горизонтальным в парящем полете, без какого -либо цепного контроля шага, за исключением коррекции ветра. Поскольку фюзеляж действует как маятник, подвешенный к ротору, изменение центра тяжести меняет угол, под которым самолет висит от ротора. Когда центр тяжести находится прямо под мачтой ротора, вертолет висит горизонтально; Если CG слишком далеко вперед от мачты, вертолет висит с наклоненным носом; Если CG слишком далеко от мачты, нос наклоняется.

CG вперед от прямого предела

Передний CG может возникнуть, когда тяжелый пилот и пассажир взлетают без багажа или надлежащего балласта, расположенного кормовой мачты ротора. Эта ситуация становится хуже, если топливные баки расположены в корме мачты ротора, потому что, поскольку топливо сжигает вес, расположенный в корме мачты ротора, становится меньше.

Это условие узнаваемо при приходе к падению после вертикального взлета. Вертолет будет иметь отношение к низкому носу, и пилоту потребуется чрезмерное обратное смещение циклического управления, чтобы поддерживать наводнение в состоянии без ветра. В этом условии пилот может быстро исчерпывать циклический контроль задним направлением, поскольку вертолет потребляет топливо. Пилот также может найти невозможным замедлить достаточно, чтобы довести вертолет до остановки. В случае сбоя двигателя и полученной ауторотации у пилота может быть недостаточно циклического контроля, чтобы должным образом вспыхивать для посадки.

Передний CG не будет таким очевидным при падении в сильный ветер, поскольку требуется менее циклическое смещение задним направлением, чем при падении без ветра. При определении того, существует ли критическое условие баланса, важно учитывать скорость ветра и его отношение к обратному смещению циклического контроля.

CG кормовой лимит

Без надлежащего балласта в кабине может возникнуть превышение CG CG, когда:

• Легкий пилот снимает соло с полной нагрузкой топлива, расположенной в кормовой части роторной мачты.
• Легкий пилот вылетел с максимальным багажом, разрешенным в багажном отделении, расположенном в кормовой части роторной мачты.
• Легкий пилот взлетает с комбинацией багажа и существенного топлива, где оба являются кормовой мачтой ротора.

Условие кормовой CG может быть распознано пилотом при приходе к падению после вертикального взлета. Вертолет будет иметь отношение к низкому хвосту, и пилоту потребуется чрезмерное первое смещение циклического контроля, чтобы поддерживать падение в состоянии без ветра. Если есть ветер, пилот нуждается в еще большем прямое циклическое. Если в этом состоянии продолжается рейс, пилот может найти невозможным летать в верхнем допустимом диапазоне воздушной скорости из-за неадекватного прямого циклического власти, чтобы поддерживать отношение к носу. Кроме того, с экстремальной кормовой CG, порыви или грубый воздух могут ускорить вертолет до скорости быстрее, чем то, что производится с полным прямым циклическим управлением. В этом случае диссимметрия подъема и лезвия может привести к наклону диска ротора. При уже применяемом циклическом контроле, диск -ротор, возможно, не может быть снижен, что приведет к возможной потере контроля или лопастям ротора, ударяясь по хвостовой бум.

Боковой баланс

В самолете с фиксированным крылом боковой баланс часто гораздо менее критичен, чем баланс переднего воздействия, просто потому, что большая часть массы в самолете расположена очень близко к центру. Исключением является топливо, которое может быть загружено в крылья, но поскольку топливные нагрузки обычно симметричны в отношении оси самолета, боковой баланс обычно не затрагивается. Боковой центр тяжести может стать важным, если топливо не загружается равномерно в резервуары с обеих сторон самолета, или (в случае небольших самолетов), когда пассажиры преимущественно на одной стороне самолета (например, пилотный летающий в небольшом самолете). Небольшие боковые отклонения CG, которые находятся в пределах пределов, могут вызвать раздражающую тенденцию к броску, которую пилоты должны компенсировать, но они не опасны, пока CG остается в пределах от времени полета.

Для большинства вертолетов обычно нет необходимости определять боковую CG для обычной инструкции по полету и пассажирских рейсов. Это связано с тем, что вертолетные каюты относительно узкие, а большинство дополнительного оборудования расположено рядом с центральной линией. Тем не менее, некоторые руководства по вертолетам указывают место, с которого должен проводиться соло. Кроме того, если существует необычная ситуация, такая как тяжелый пилот и полная нагрузка топлива на одной стороне вертолета, что может повлиять на боковую CG, его положение следует проверить на конверте CG. Если переносить внешние нагрузки в положении, которое требует большого бокового циклического контроля, для поддержания уровня полета, эффективность циклической и AFT может быть значительно ограничена.

Сброс топлива и операции с избыточным весом

Многие крупные самолеты транспортной категории могут взлетать больший вес, чем они могут приземлиться. Это возможно, потому что вес топлива, который крылья могут поддерживать вдоль их пролета в полете или при припарковании или такси на земле, больше, чем они могут терпеть во время стресса приземления и приземления, когда поддержка не распределена вдоль пролет крыла.

Обычно часть веса самолета, которая превышает максимальный вес приземления (но попадает в максимальный вес взлета), полностью состоит из топлива. Когда самолет летает, топливо сжигается, и к тому времени, когда самолет готов к приземлению, оно ниже максимального веса посадки. Однако, если самолет должен приземлиться рано, иногда топливо, которое остается на борту, все еще сохраняет самолет над максимальным весом. Когда это произойдет, самолет должен либо сжигать топливо (полет в схеме удержания), либо сбросить его (если самолет оборудован для этого) перед посадкой, чтобы избежать повреждения самолета. В чрезвычайной ситуации самолет может выбрать избыточный вес земли, но это может повредить, и, по крайней мере, посадка с избыточным весом предоставит тщательную проверку для проверки любых повреждений.

В некоторых случаях самолет может сознательно вылетать избыточный вес. Примером может быть самолет, который переворачивается на очень большем расстоянии с дополнительным топливом на борту. Избыточный взлет обычно требует исключительно длинной взлетно-посадочной полосы. Операции с избыточным весом не допускаются с пассажирами на борту.

Многие меньшие самолеты имеют максимальный вес высадки, который такой же, как и максимальный вес взлета, и в этом случае возникают проблемы с избыточным весом из-за избыточного топлива на борту не могут возникнуть.

CG крупных коммерческих транспортных самолетов

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

Факторы CG для транспортного самолета

CG компонентов и систем

Диапазон CG типичных транспортных самолетов

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

Несчастные случаи

• Air Midwest Flight 5481 : в январе 2003 года был отправлен BEECH 1900D с более чем 500 фунтов (230 кг) по его максимальному весу, и в основном в задней части, так что его центр тяжести составлял 5% кормовой. Это разбило убийство всех 21 на борту.
• В феврале 2005 года претендент 600 покинул Тетерборо, штат Нью -Джерси , загрузился так далеко вперед, что он был вне предела CG, и он не мог вращаться , врезался в забор аэропорта в здание, тяжело ранив трех пассажиров и разрушив самолет.
• В августе 2010 года Filair L-410 в Демократической Республике Конго потерпел потерю . По сообщениям, авария была результатом того, что пассажиры бросились на переднюю часть самолета, чтобы сбежать из контрабанды крокодила на борту одним из пассажиров. Движение поставило под угрозу баланс самолета до такой степени, что контроль над самолетом был потерян.
• В июле 2013 года отделение DE Havilland Canada DHC-3 покинула Sondotna, Аляска , остановившись после ротации и разбилась на 2300 футов (700 м) от своего тормозного пункта, поскольку она была перегружена на 418 фунтов (190 кг), и его CG был Хорошо кормовой предела. Все десять пассажиров погибли.

Смотрите также

• Индекс авиационных статей
• Распределение веса

Дальнейшее чтение

• Фред Джордж (22 июня 2018 г.). «Целостность веса самолета: важность знания истинных весов» . Бизнес и коммерческая авиация. Авиационная неделя сеть .