Центр тяжести (ЦТ) самолета — это точка, над которой самолет будет балансировать. [1] 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.
Центр тяжести (ЦТ) рассчитывается следующим образом:
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 самолета (т. е. двигателей, крыльев, электронных компонентов) не изменяются и указываются производителем в Списке оборудования самолета. 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.
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.
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.
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 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).
Величину, которую необходимо переместить, можно найти по следующей формуле:
расстояние смещения = (общий вес * изменение веса) / сдвинутый вес
Пример:
1500 фунтов * 33,9 дюйма = 50 850 моментов (самолет)100 фунтов * 68 дюймов = 8400 моментов (багаж)cg = 37 дюймов = (50 850 + 8 400) / 1600 фунтов (1/2 дюйма за пределом cg)
Мы хотим перевезти CG 1, используя сумку весом 100 фунтов в багажном отделении.
сдвиг dist = (общий вес * изменение веса) / сдвинутый вес16 дюймов = (1600 фунтов * 1 дюйм) / 100 фунтов
Переработка проблемы с перемещением веса 100 фунтов на 16 дюймов вперед до 68 дюймов, ход ЦТ на 1 дюйм.
1500 фунтов * 33,9 дюйма = 50 850 моментов (самолет)100 фунтов * 84 дюйма = 6800 моментов (багаж)cg = 36 дюймов = (50 850 + 6 800) / 1600 фунтовновый центр тяжести = 36 дюймов
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.
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. [1] Для 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 ЦТ находится слишком далеко вперед от мачты, вертолет зависает с наклоненной носом вниз; если центр тяжести находится слишком далеко позади мачты, нос запрокидывается вверх.
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 низкорасположенную носовую часть, и пилоту потребуется чрезмерное смещение рычага управления циклическим управлением 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.
ЦТ вперед не будет так очевидна при висении при сильном ветре, поскольку требуется меньшее циклическое смещение назад, чем при висении без ветра. При определении существования критического состояния равновесия важно учитывать скорость ветра и ее связь со смещением назад циклического органа управления.
Без надлежащего балласта в кабине превышение центра тяжести в кормовой части может произойти в следующих случаях:
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 может 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 неровный 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 невозможным опуститься, что приведет к возможной потере управления или к удару лопастей несущего винта о хвостовую балку.
В самолетах 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 указывается 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 сверить с 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.
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.
Многие самолеты меньшего размера имеют максимальную посадочную массу, такую же, как максимальная взлетная масса, и в этом случае не могут возникнуть проблемы приземления с избыточным весом из-за избытка топлива на борту.
В этом разделе показаны данные, полученные в рамках исследовательского гранта НАСА Эймса для крупных коммерческих транспортных самолетов. [3] [4]
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).