Центр тяжести самолета

Центр тяжести (ЦТ) самолета — это точка, над которой будет балансировать самолет. ^[1] Его положение рассчитывается после установки самолета как минимум на два набора весов или тензодатчиков и учета веса, показанного на каждом наборе весов или тензодатчиков. Центр тяжести влияет на устойчивость самолета. Чтобы обеспечить безопасность полета самолета, центр тяжести должен находиться в пределах, установленных производителем самолета.

Терминология

Балласт: Балласт — съемный или постоянно устанавливаемый груз на самолете, используемый для приведения центра тяжести в допустимые пределы.

Пределы центра тяжести: Пределы центра тяжести (ЦТ) — это заданные продольные (вперед и назад) и/или поперечные (влево и вправо) пределы, в пределах которых должен находиться центр тяжести самолета во время полета. Пределы ЦТ указаны в руководстве по летной эксплуатации самолета. Область между пределами называется диапазоном ЦТ самолета.

Вес и баланс: Когда вес самолета находится на уровне или ниже допустимого предела(ов) для его конфигурации (припаркован, наземное движение, взлет, посадка и т. д.), а его центр тяжести находится в допустимом диапазоне, и оба остаются таковыми в течение всего полета, говорят, что самолет находится в пределах веса и баланса . Различные максимальные веса могут быть определены для разных ситуаций; например, большие самолеты могут иметь максимальный посадочный вес, который ниже максимального взлетного веса (потому что ожидается, что некоторая часть веса будет потеряна из-за сжигания топлива во время полета). Центр тяжести может меняться в течение полета, поскольку вес самолета изменяется из-за сжигания топлива или перемещения пассажиров вперед или назад в салоне.

Справочная система отсчета: Опорная точка — это опорная плоскость, которая позволяет выполнять точные и единообразные измерения любой точки на самолете. Местоположение опорной точки устанавливается производителем и определяется в руководстве по летной эксплуатации самолета. Горизонтальная опорная точка — это воображаемая вертикальная плоскость или точка, расположенная вдоль продольной оси самолета, от которой измеряются все горизонтальные расстояния для целей веса и балансировки. Не существует фиксированного правила для ее расположения, и она может быть расположена впереди носа самолета. Для вертолетов она может быть расположена на мачте ротора, носу вертолета или даже в точке пространства впереди вертолета. В то время как горизонтальная опорная точка может находиться в любом месте по выбору производителя, большинство небольших учебных вертолетов имеют горизонтальную опорную точку на 100 дюймов впереди осевой линии вала несущего винта. Это необходимо для того, чтобы все вычисленные значения были положительными. Боковая опорная точка обычно располагается в центре вертолета. ^[2]

Рука: Плечо — это горизонтальное расстояние от опорной точки до центра тяжести (ЦТ) элемента. Алгебраический знак — плюс (+), если измеряется сзади от точки отсчета или справа от центральной линии при рассмотрении бокового расчета. Алгебраический знак — минус (−), если измеряется спереди от точки отсчета или слева от центральной линии при рассмотрении бокового расчета. ^[1]

Момент: Момент — это момент силы, или крутящий момент , который возникает из-за веса объекта, действующего по дуге, центр которой находится в нулевой точке референтного расстояния. Момент также называют тенденцией объекта вращаться или поворачиваться вокруг точки (нулевой точки референтного расстояния в данном случае). Чем дальше объект от этой точки, тем большую силу он оказывает. Момент вычисляется путем умножения веса объекта на его плечо.

Средняя аэродинамическая хорда (САХ): Конкретная линия хорды сужающегося 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 заданных условиях. На некоторых самолетах центр тяжести выражается в процентах от длины MAC. Чтобы сделать такой расчет, положение передней кромки MAC должно быть известно заранее. Это положение определяется как расстояние от опорной точки и находится в руководстве по летной эксплуатации самолета , а также в паспорте 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 ссылаться на плечо, измеренное от опорной линии), то ваш MAC можно найти, найдя разницу между вашим LeMAC и вашим TeMAC.

Расчет

Центр тяжести (ЦТ) рассчитывается следующим образом:

Определите вес и плечи для всех масс внутри самолета.
Умножьте вес на плечо для всех масс, чтобы вычислить моменты.
Сложите все моменты вместе.
Сложите все веса вместе.
Разделите общий момент на общий вес, чтобы получить общее плечо.

Плечо, полученное в результате этого расчета, должно находиться в пределах центра тяжести, установленных производителем самолета. Если это не так, вес в самолете должен быть удален, добавлен (редко) или перераспределен до тех пор, пока центр тяжести не попадет в предписанные пределы.

Расчеты центра тяжести самолета выполняются только вдоль одной оси от нулевой точки опорной точки, которая представляет собой продольную ось самолета (для расчета продольного баланса). Некоторые типы вертолетов используют боковые пределы ЦТ, а также продольные пределы. Эксплуатация таких вертолетов требует расчета ЦТ по двум осям: один расчет для продольного ЦТ (продольный баланс) и другой расчет для поперечного ЦТ (баланс слева направо).

Значения веса, плеча и момента фиксированных элементов на самолете (т. е. двигателей, крыльев, электронных компонентов) не изменяются и предоставляются производителем в Списке оборудования самолета. Производитель также предоставляет информацию, облегчающую расчет моментов для топливных нагрузок. Съемные элементы веса (т. е. члены экипажа, пассажиры, багаж) должны быть надлежащим образом учтены в расчете веса и центра тяжести оператором самолета.

Пример

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

В более крупных самолетах вес и баланс часто выражаются в процентах от средней аэродинамической хорды, или MAC. Например, предположим, что передняя кромка MAC находится на 62 дюйма позади точки отсчета. Следовательно, вычисленный выше ЦТ находится на 32 дюйма позади передней кромки MAC. Если длина MAC составляет 80 дюймов, процент MAC составляет 32 / 80 = 40%. Если допустимые пределы составляют от 15% до 35%, самолет не будет должным образом загружен.

Неправильный вес и балансировка самолета

Когда вес или центр тяжести самолета выходят за пределы допустимого диапазона, самолет может оказаться не в состоянии поддерживать полет, или может оказаться невозможным поддерживать самолет в горизонтальном полете в некоторых или всех обстоятельствах, в некоторых случаях приводя к смещению нагрузки . Размещение ЦТ или веса самолета за пределами допустимого диапазона может привести к неизбежному падению самолета.

Центр тяжести вне диапазона

Когда центр тяжести (ЦТ) в переднем положении выходит за пределы диапазона, могут возникнуть серьезные проблемы с управлением самолетом. ЦТ в переднем положении влияет на продольную устойчивость самолета, причем устойчивость увеличивается по мере того, как ЦТ движется вперед, и уменьшается по мере того, как ЦТ движется назад. При переднем положении ЦТ, хотя устойчивость самолета увеличивается, полномочия управления рулем высоты снижаются в возможности подъема носа самолета. Это может вызвать серьезное состояние во время выравнивания при посадке, когда нос не может быть поднят достаточно, чтобы замедлить самолет. Положение ЦТ в заднем положении может вызвать серьезные проблемы с управлением из-за сниженной устойчивости по тангажу и повышенной чувствительности управления рулем высоты с потенциальной потерей управления самолетом. Поскольку сжигание топлива постепенно приводит к потере веса и, возможно, смещению ЦТ, самолет может взлетать с ЦТ в пределах нормального рабочего диапазона, а затем развить дисбаланс, который приведет к проблемам с управлением. Расчеты ЦТ должны учитывать это (часто часть этого рассчитывается производителем заранее и включается в пределы ЦТ).

Регулировка CG в пределах допустимых значений

Величину, на которую необходимо переместить груз, можно найти, используя следующую формулу:

расстояние смещения = (общий вес * изменение центра тяжести) / смещенный вес

Пример:

1500 фунтов * 33,9 дюйма = 50 850 момент (самолет)100 фунтов * 68 дюймов = 8400 моментов (багаж)cg = 37 дюймов = (50 850 + 8 400) / 1600 фунтов (1/2 дюйма за пределами предела cg)

Мы хотим перевезти CG 1, используя 100-фунтовый мешок в багажном отделении.

сдвиг расст = (общий вес * изменение центра тяжести) / смещенный вес16 дюймов = (1600 фунтов * 1 дюйм) / 100 фунтов

Переработка задачи со 100 фунтами, перемещенными на 16 дюймов вперед до 68 дюймов, перемещает ЦТ на 1 дюйм.

1500 фунтов * 33,9 дюйма = 50 850 момент (самолет)100 фунтов * 84 дюйма = 6800 мгновений (багаж)cg = 36 дюймов = (50,850 + 6,800) / 1600 фунтовновый cg = 36 дюймов

Вес вне диапазона

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

Неправильный вес и балансировка вертолетов

Центр тяжести еще более критичен для вертолетов, чем для самолетов с фиксированным крылом (проблемы веса остаются прежними). Как и в случае с самолетами с фиксированным крылом, вертолет может быть правильно загружен для взлета, но ближе к концу длительного полета, когда топливные баки почти пусты, ЦТ может сместиться достаточно, чтобы вертолет вышел из равновесия в поперечном или продольном направлении. ^[1] Для вертолетов с одним несущим винтом ЦТ обычно находится близко к мачте несущего винта. Неправильный баланс нагрузки вертолета может привести к серьезным проблемам управления. Помимо того, что вертолет трудно контролировать, состояние несбалансированной 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 зависшем полете, без необходимости циклического управления шагом, за исключением коррекции ветра. Поскольку фюзеляж действует как маятник, подвешенный к ротору, изменение центра тяжести изменяет угол, под которым самолет висит на роторе. Когда центр тяжести находится прямо под мачтой ротора, вертолет висит горизонтально; если ЦТ находится слишком далеко впереди мачты, вертолет висит с наклоненным вниз носом; если ЦТ находится слишком далеко сзади мачты, нос наклоняется вверх.

CG вперед от переднего предела

Передний ЦТ может возникнуть, когда тяжелый пилот и пассажир взлетают без багажа или надлежащего балласта, расположенного позади мачты ротора. Эта ситуация ухудшается, если топливные баки расположены позади мачты ротора, поскольку по мере сгорания топлива вес, расположенный позади мачты ротора, становится меньше.

Это состояние распознается при переходе к зависанию после вертикального взлета. Вертолет будет иметь положение с опущенным носом, и пилоту потребуется чрезмерное смещение назад циклического управления для поддержания зависания в условиях безветра. В этом состоянии пилот может быстро потерять управление назад циклическим управлением, поскольку вертолет расходует топливо. Пилот также может обнаружить, что не может достаточно замедлиться, чтобы остановить вертолет. В случае отказа двигателя и вызванного им авторотации у пилота может не хватить циклического управления, чтобы правильно выполнить выравнивание для посадки.

Передний ЦТ не будет столь очевиден при зависании в сильный ветер, поскольку требуется меньшее обратное циклическое смещение, чем при зависании без ветра. При определении того, существует ли критическое состояние баланса, важно учитывать скорость ветра и ее связь с задним смещением циклического управления.

ЦТ корма от кормового предела

Без надлежащего балласта в кабине может произойти превышение задней ЦТ в следующих случаях:

Легкий пилот взлетает в одиночку с полным запасом топлива, расположенным позади мачты ротора.
Пилот легкого веса взлетает с максимально допустимым багажом в багажном отсеке, расположенном за мачтой несущего винта.
Легкий пилот взлетает с багажом и значительным запасом топлива, причем и то, и другое находится позади мачты винта.

Состояние задней ЦТ может быть распознано пилотом при переходе на зависание после вертикального взлета. Вертолет будет иметь положение хвоста вниз, и пилоту потребуется чрезмерное смещение вперед циклического управления для поддержания зависания в условиях безветра. Если есть ветер, пилоту потребуется еще большее переднее циклическое управление. Если полет продолжается в этом состоянии, пилот может обнаружить, что не может лететь в верхнем допустимом диапазоне воздушной скорости из-за недостаточного переднего циклического управления для поддержания положения носа вниз. Кроме того, при экстремальном заднем ЦТ порывистый или неспокойный воздух может разогнать вертолет до скорости, превышающей ту, которая достигается при полном переднем циклическом управлении. В этом случае асимметрия подъемной силы и взмаха лопастей может привести к наклону диска ротора назад. При уже примененном полном переднем циклическом управлении диск ротора может не опуститься, что приведет к возможной потере управления или удару лопастей ротора о хвостовую балку.

Боковой баланс

В самолетах с фиксированным крылом поперечный баланс часто гораздо менее критичен, чем продольно-поперечный, просто потому, что большая часть массы в самолете расположена очень близко к его центру. Исключением является топливо, которое может быть загружено в крылья, но поскольку топливные грузы обычно симметричны относительно оси самолета, поперечный баланс обычно не затрагивается. Поперечный центр тяжести может стать важным, если топливо не загружено равномерно в баки с обеих сторон самолета или (в случае небольших самолетов) когда пассажиры находятся преимущественно на одной стороне самолета (например, пилот, летящий один на небольшом самолете). Небольшие поперечные отклонения ЦТ, находящиеся в пределах, могут вызвать раздражающую тенденцию к крену, которую пилоты должны компенсировать, но они не опасны, пока ЦТ остается в пределах на протяжении всего полета.

Для большинства вертолетов обычно нет необходимости определять боковой ЦТ для обычных летных инструкций и пассажирских полетов. Это связано с тем, что кабины вертолетов относительно узкие, а большая часть дополнительного оборудования расположена вблизи центральной линии. Однако в некоторых руководствах по вертолетам указано место, с которого должен выполняться самостоятельный полет. Кроме того, если возникает необычная ситуация, например, тяжелый пилот и полная загрузка топлива с одной стороны вертолета, что может повлиять на боковой ЦТ, его положение следует проверить относительно диапазона ЦТ. Если перевозка внешних грузов в положении, требующем большого бокового циклического смещения управления для поддержания горизонтального полета, эффективность продольного и поперечного циклического управления может быть существенно ограничена.

Сброс топлива и операции с перегрузом

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

Обычно часть веса самолета, которая превышает максимальный посадочный вес (но попадает в максимальный взлетный вес), полностью состоит из топлива. По мере полета самолета топливо сгорает, и к тому времени, когда самолет готов к посадке, его вес ниже максимального посадочного веса. Однако, если самолет должен приземлиться раньше времени, иногда топливо, которое остается на борту, все еще удерживает самолет выше максимального посадочного веса. Когда это происходит, самолет должен либо сжечь топливо (пролетев по схеме ожидания), либо сбросить его (если самолет оборудован для этого) перед посадкой, чтобы избежать повреждения самолета. В чрезвычайной ситуации самолет может выбрать посадку с избыточным весом, но это может повредить его, и, как минимум, посадка с избыточным весом потребует тщательного осмотра для проверки любых повреждений.

В некоторых случаях самолет может намеренно взлетать с превышением веса. Примером может служить самолет, перегоняемый на очень большое расстояние с дополнительным топливом на борту. Взлет с превышением веса обычно требует исключительно длинной взлетно-посадочной полосы. Операции с превышением веса не допускаются с пассажирами на борту.

У многих небольших самолетов максимальный посадочный вес равен максимальному взлетному весу, и в этом случае проблемы перегрузки при посадке из-за избытка топлива на борту не могут возникнуть.

ЦТ крупных коммерческих транспортных самолетов

В этом разделе показаны данные, полученные в рамках исследовательского гранта NASA Ames для крупных коммерческих транспортных самолетов. ^[3]^[4]

Факторы центровки для транспортных самолетов

CG компонентов и систем

Диапазон центровки типовых транспортных самолетов

Диапазон эксплуатационной центровки используется на этапах взлета и посадки полета, а диапазон допустимой центровки используется во время наземных операций (т. е. при загрузке самолета пассажирами, багажом и топливом).

Несчастные случаи

Рейс Air Midwest 5481 : в январе 2003 года Beech 1900D был отправлен с грузом, превышающим максимальный вес более чем на 500 фунтов (230 кг), и в основном в задней части, поэтому его центр тяжести был смещен на 5% назад. Он разбился, погибли все 21 человек на борту. ^[5]
В феврале 2005 года самолет Challenger 600, вылетевший из Тетерборо, штат Нью-Джерси , загруженный так далеко вперед, что он вышел за пределы центра тяжести и не мог вращаться , врезался в ограждение аэропорта и врезался в здание, серьезно ранив трех пассажиров и разрушив самолет. ^[5]
В августе 2010 года самолет Filair Let L-410 потерпел крушение в Демократической Республике Конго. Сообщается, что авария произошла из-за того, что пассажиры бросились в переднюю часть самолета, чтобы спастись от крокодила, которого протащил на борт один из пассажиров. Это движение нарушило равновесие самолета до такой степени, что управление им было потеряно. ^[6]
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 был перегружен на 418 фунтов (190 кг), а его ЦТ находился далеко за задним пределом. Все десять пассажиров погибли. ^[5]

Смотрите также

Ссылки

^ abc "Справочник по весу и балансировке самолета" (PDF) . Федеральное управление гражданской авиации. 2007.
^ "Справочник по полетам на винтокрылых машинах" (PDF) . Федеральное управление гражданской авиации. 2012.
^ "Титульный лист и кредиты" (PDF) . NASA.
^ "глава 2" (PDF) . НАСА.
^ abc Fred George (22 июня 2018 г.). «Целостность веса самолета: важность знания истинного веса». Деловая и коммерческая авиация. Aviation Week Network .
^ "Самолёт падает после того, как крокодил на борту сбегает и вызывает панику". The Telegraph . 21 октября 2010 г. Архивировано из оригинала 22 октября 2010 г. Получено 22 октября 2010 г.

Дальнейшее чтение

Фред Джордж (22 июня 2018 г.). «Целостность веса самолета: важность знания истинного веса». Деловая и коммерческая авиация. Aviation Week Network .