Центр тяжести самолета

Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Найти источники:  «Центр тяжести самолета»  -  новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR ( март 2015 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Центр тяжести (CG) самолета является точкой , в течение которого воздушное судно будет балансировать. ^[1] Его положение вычисляются после того, как самолет поддержки , по крайней мере , два наборов весов или тензодатчики и отмечая вес , показанный на каждый наборе весов или тензодатчиков. Центр тяжести влияет на устойчивость самолета. Чтобы самолет был безопасным для полета, центр тяжести должен находиться в определенных пределах, установленных изготовителем самолета.

Терминология [ править ]

Носовой багажный отсек Fokker F.XII в 1933 году, что позволяет избежать проблемы тяжелого веса в задней части.

Балласт

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

Пределы центра тяжести

Пределы центра тяжести (CG) - это заданные продольные (вперед и назад) и / или боковые (слева и справа) пределы, в пределах которых центр тяжести воздушного судна должен находиться 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 на уровне или ниже допустимого предела (ей) для его конфигурации (стоянка, движение по земле, взлет, посадка и т. Д.) И его центр тяжести находится в допустимом диапазоне, и оба останутся таковыми. в течение всего полета самолет находится в пределах веса и равновесия . Для разных ситуаций могут быть определены разные максимальные веса; например, большой самолет может иметь максимальную посадочную массу ниже максимальной взлетной (поскольку ожидается, что часть веса будет потеряна из-за сгорания топлива во время полета). Центр тяжести может меняться в течение полета, поскольку вес самолета изменяется из-за сжигания топлива или движения пассажиров вперед или назад в кабине.

Справочная база данных

Опорная точкапредставляет собой опорную плоскость, позволяющую производить точные и единообразные измерения в любой точке самолета. Расположение исходной точки устанавливается изготовителем и определяется в руководстве по летной эксплуатации воздушного судна. Горизонтальная опорная точка представляет собой воображаемую вертикальную плоскость или точку, расположенную вдоль продольной оси летательного аппарата, от которой измеряются все горизонтальные расстояния для целей веса и балансировки. Не существует фиксированного правила для его расположения, и он может располагаться перед носом самолета. Для вертолетов он может быть расположен на мачте несущего винта, в носовой части вертолета или даже в точке в космосе перед вертолетом. В то время как горизонтальная опорная точка может быть где угодно, по выбору производителя, большинство небольших тренировочных вертолетов имеют горизонтальную опорную точку на 100 дюймов впереди осевой линии вала несущего винта.Это сделано для того, чтобы все вычисленные значения оставались положительными. Боковая опорная точка обычно находится в центре вертолета.^[2]

Рука

Рука горизонтальное расстояние от опорной точки до центра тяжести (CG) какого - либо пункта. Алгебраический знак плюс (+) , если измеренный в кормовой части опорной точки или с правой стороны от центральной линии при рассмотрении бокового расчета. Алгебраический знак минус (-) , если измеренные вперед от опорной точки или с левой стороны от осевой линии при рассмотрении бокового расчета. ^[1]

Момент

Моментом является момент силы или вращающего момента , что результаты от веса объекта действует через дугу, которая с центром на нулевой точке расстояния опорной точки. Момент также упоминается как тенденция объекта для поворота или поворота вокруг точки (нулевой точки нулевой точки, в данном случае). Чем дальше объект от этой точки, тем большую силу он прилагает. Момент рассчитывается путем умножения веса предмета на его руку.

Средняя аэродинамическая хорда (MAC)

Определенная линия хорды сужающегося крыла. На средней аэродинамической хорде центр давления имеет такую ​​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 произвести такой расчет, положение переднего фронта MAC должно быть известно заранее. Это положение определяется как расстояние от опорной точки и находится в руководстве по летной эксплуатации воздушного суднаа также в паспорте типа ВС. Если общий MAC не указан, но указаны LeMAC (средняя аэродинамическая хорда передней кромки) и TeMAC (средняя аэродинамическая хорда задней кромки) (оба из которых будут обозначаться как плечо, измеренное от базовой линии), тогда ваш MAC может Вы можете найти разницу между вашим LeMAC и вашим TeMAC.

Расчет [ править ]

Центр тяжести (ЦТ) рассчитывается следующим образом:

• Определите веса и вооружения всех масс в самолете.
• Чтобы рассчитать моменты, умножьте веса на руки для всей массы.
• Сложите моменты всей массы вместе.
• Разделите общий момент на общую массу самолета, чтобы получить общую руку.

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

Самолет центр тяжести вычислений выполняется только вдоль одной оси от нулевой точки опорной точки, которая представляет собой продольную ось летательного аппарата (для расчета передних к кормовой части баланса). Некоторые типы вертолетов используют как боковые, так и продольные ограничения ЦТ. Эксплуатация таких вертолетов требует расчета ЦТ по двум осям: один расчет для продольной ЦТ (продольная балансировка) и другой расчет для поперечной ЦТ (балансировка слева направо).

Значения веса, момента и рычага фиксированных элементов на самолете (например, двигателей, крыльев, электронных компонентов) не изменяются и указываются производителем в Перечне оборудования самолета. Производитель также предоставляет информацию, облегчающую расчет моментов для топливных нагрузок. Съемные весовые элементы (т.е. члены экипажа, пассажиры, багаж) должны быть должным образом учтены при расчете веса и CG эксплуатантом воздушного судна.

Пример [ править ]

Чтобы найти центр тяжести, мы разделим общий момент на общую массу: 193 193/2055 = 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 МАП находится в 62 дюймах от исходной точки. Следовательно, рассчитанная выше ЦТ находится на 32 дюйма позади передней кромки МАП. Если длина MAC составляет 80 дюймов, процентное соотношение MAC составляет 32/80 = 40%. Если бы допустимые пределы были от 15% до 35%, самолет не был бы загружен должным образом.

Неправильный вес и балансировка в самолетах с неподвижным крылом [ править ]

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

Когда центр тяжести или вес самолета находится за пределами допустимого диапазона, самолет может быть не в состоянии поддерживать полет, или может быть невозможно поддерживать самолет в горизонтальном полете при некоторых или всех обстоятельствах, в некоторых случаях, приводящих к нагрузке. смещение . Размещение ЦТ или веса самолета за пределами допустимого диапазона может привести к неизбежной аварии самолета.

Центр тяжести вне допустимого диапазона [ править ]

Когда продольный центр тяжести (CG) выходит за пределы допустимого диапазона, возникают серьезные проблемы с управлением самолетом. Продольная ЦТ влияет на продольную устойчивость самолета, причем устойчивость увеличивается по мере движения ЦТ вперед и снижается по мере движения ЦТ за кормой. При переднем положении ЦТ, хотя устойчивость самолета увеличивается, полномочия по управлению лифтом уменьшаются в возможности поднять нос самолета. Это может вызвать серьезное состояние во время посадки, когда нос не может быть поднят достаточно, чтобы замедлить самолет. Положение ЦТ на корме создает серьезные проблемы с управлением из-за пониженной устойчивости по тангажу и повышенной чувствительности управления рулем высоты с потенциальной потерей управления воздушным судном. Поскольку сжигание топлива постепенно приводит к потере веса и, возможно, к сдвигу ЦТ,самолет может взлетать с ЦТ в пределах нормального рабочего диапазона, но позже может развиться дисбаланс, который приведет к проблемам с управлением. Это необходимо учитывать при расчетах CG (часто часть этого рассчитывается производителем заранее и включается в пределы CG).

Вот пример Piper Mirage со слишком большим весом в задней части самолета, что приводит к взлетной CG в определенных пределах (зеленая контрольная точка), но Landing CG находится за пределами CG Envelope (синяя контрольная точка). ^[3]

Регулировка ЦТ в пределах [ править ]

Величину, на которую необходимо переместить груз, можно найти по следующей формуле

shift dist = (общий вес * изменение в cg) / вес смещен

Пример:

1500 фунтов * 33,9 дюйма = 50850 момент (самолет)100 фунтов * 68 дюймов = 8400 моментов (багаж)cg = 37 дюймов = (50,850 + 8,400) / 1600 фунтов (1/2 дюйма вне предела cg)

Мы хотим переместить CG 1 с помощью 100-фунтовой сумки в багажном отделении.

shift dist = (общий вес * изменение в cg) / вес смещен16 дюймов = (1600 фунтов * 1 дюйм) / 100 фунтов

Переработка задачи с перемещением 100 фунтов на 16 дюймов вперед до 68 при перемещениях CG на 1 дюйм.

1500 фунтов * 33,9 дюйма = 50850 момент (самолет)100 фунтов * 84 дюйма = 6800 моментов (багаж)cg = 36 дюймов = (50850 + 6800) / 1600 фунтовновый cg = 36 дюймов

Вес вне допустимого диапазона [ править ]

Некоторые самолеты устанавливают минимальный вес для полета (хотя часто указывается минимальный вес пилота), но все устанавливают максимальный вес. Если максимальный вес превышен, летательный аппарат может оказаться не в состоянии достичь или поддерживать управляемый горизонтальный полет. Чрезмерный взлетный вес может сделать невозможным взлет в пределах доступной длины взлетно-посадочной полосы или 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 баланс вертолетов [ править ]

Центр тяжести имеет даже большее значение для вертолетов, чем для самолетов с неподвижным крылом (проблемы с весом остаются прежними). Как и в случае с самолетом с неподвижным 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 потерял равновесие в поперечном или продольном направлении. ^[1] Для вертолетов с одним несущим винтом ЦТ обычно находится рядом с мачтой несущего винта. Неправильная балансировка нагрузки вертолета может привести к серьезным проблемам с управлением. В дополнение к затруднению управления вертолетом, состояние несбалансированной нагрузки также снижает маневренность, поскольку циклическое управление менее эффективно в направлении, противоположном местоположению ЦТ.

Пилот пытается идеально сбалансировать вертолет так, чтобы фюзеляж оставался горизонтальным в полете в режиме зависания, без необходимости циклического управления по тангажу, за исключением поправки на ветер. Поскольку фюзеляж действует как маятник, подвешенный к ротору, изменение центра тяжести изменяет угол, под которым самолет свешивается с винтом. Когда центр тяжести находится прямо под мачтой несущего винта, вертолет висит горизонтально; если ЦТ находится слишком далеко от мачты, вертолет зависает носом вниз; если ЦТ находится слишком далеко от мачты, нос приподнимается.

CG вперед от прямого лимита [ править ]

Передний CG может возникнуть, когда тяжелый пилот и пассажир взлетают без багажа или надлежащего балласта, расположенного за мачтой несущего винта. Эта ситуация усугубляется, если топливные баки расположены за мачтой ротора, потому что по мере сгорания топлива вес, расположенный за мачтой ротора, становится меньше.

Это состояние заметно при зависании после вертикального взлета. Вертолет будет иметь низко расположенное носовое положение, и пилоту потребуется чрезмерное смещение назад циклического рычага управления для поддержания зависания в условиях безветра. В этом состоянии пилот может быстро выйти из-под управления задним циклом, поскольку вертолет потребляет топливо. Пилоту может также оказаться невозможным замедлить движение настолько, чтобы вертолет остановился. В случае отказа двигателя и возникающего в результате авторотации у пилота может не хватить циклического управления, чтобы должным образом выполнить факел для посадки.

ЦТ вперед не будет таким очевидным при зависании при сильном ветре, поскольку требуется меньшее циклическое смещение назад, чем при зависании без ветра. При определении того, существует ли условие критического баланса, важно учитывать скорость ветра и ее связь с обратным смещением циклического управления.

CG за кормой [ править ]

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

• Легкий пилот взлетает в одиночку с полным баком топлива, расположенным за мачтой несущего винта.
• Легкий пилот взлетает с максимально допустимым багажом в багажном отделении, расположенном за мачтой несущего винта.
• Легкий пилот взлетает с сочетанием багажа и значительного количества топлива, когда оба они находятся позади мачты несущего винта.

Состояние кормовой ЦТ может быть обнаружено пилотом при переходе в режим зависания после вертикального взлета. Вертолет будет иметь опущенное хвостом, и пилоту потребуется чрезмерное смещение вперед циклического управления для поддержания зависания в условиях безветра. Если есть ветер, пилоту нужна еще большая прямая цикличность. Если полет будет продолжен в этом состоянии, пилот может счесть невозможным полет в верхнем допустимом диапазоне воздушной скорости из-за недостаточного управления циклическим движением вперед, необходимого для сохранения положения с опущенным носом. Кроме того, при экстремальной задней ЦТ, порывистый или суровый воздух может разогнать вертолет до скорости, превышающей скорость, получаемую при полном циклическом управлении вперед. В этом случае асимметрия подъемаи хлопанье лопастей может вызвать отклонение диска ротора назад. При уже примененном полном циклическом управлении передним ходом диск ротора может не опускаться, что может привести к потере управления или ударам лопастей ротора о хвостовую балку.

Боковое равновесие [ править ]

В самолетах с неподвижным крылом поперечный баланс часто гораздо менее критичен, чем баланс в продольном направлении, просто потому, что большая часть массы самолета находится очень близко к его центру. Исключением является топливо, которое может быть загружено в крылья, но поскольку топливные нагрузки обычно симметричны относительно оси самолета, боковой баланс обычно не нарушается. Боковой центр тяжести может стать важным, если топливо не загружено равномерно 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 маленьком самолете). Небольшие боковые отклонения ЦТ, которые находятся в допустимых пределах, могут вызвать неприятную тенденцию к крену, которую пилоты должны компенсировать, но они не опасны, пока ЦТ остается в пределах на протяжении всего полета.

Для большинства вертолетов обычно не требуется определять боковую ЦТ для нормальных летных инструкций и пассажирских полетов. Это связано с тем, что кабины вертолетов относительно узкие, а большая часть дополнительного оборудования располагается вблизи центральной линии. Однако в некоторых руководствах по вертолетам указывается, с какого места должен выполняться одиночный полет. Кроме того, если есть необычная ситуация, такая как тяжелый пилот и полная загрузка топлива на одной стороне вертолета, которая может повлиять на боковую ЦТ, ее положение следует проверить по области ЦТ. Если переносить внешние нагрузки в положении, требующем большого поперечного циклического смещения управления для поддержания горизонтального полета, то циклическая эффективность вперед и назад может быть резко ограничена.

Слив топлива и операции с перевесом [ править ]

Многие крупные самолеты транспортной категории могут взлетать с большей массой, чем они могут приземлиться. Это возможно, потому что вес топлива, которое крылья могут выдерживать на протяжении всего размаха в полете или при парковке или рулении на земле, больше, чем они могут выдержать во время нагрузки при посадке и приземлении, когда опора не распределяется по поверхности. размах крыла.

Обычно часть веса самолета, превышающая максимальную посадочную массу (но попадающая в пределы максимальной взлетной массы), полностью состоит из топлива. Когда самолет летит, топливо сгорает, и к тому времени, когда самолет готов к посадке, он становится ниже своего максимального посадочного веса. Однако, если самолет должен приземлиться раньше, иногда топливо, которое остается на борту, по-прежнему удерживает самолет выше максимального посадочного веса. Когда это происходит, самолет должен либо сжечь топливо (летя по схеме ожидания), либо сбросить его (если самолет оборудован для этого) перед посадкой, чтобы избежать повреждения самолета. В аварийной ситуации самолет может выбрать приземление с избыточным весом, но это может привести к его повреждению, и, по крайней мере, посадка с избыточным весом потребует тщательного осмотра на предмет повреждений.

В некоторых случаях самолет может намеренно сбросить лишний вес. Примером может быть самолет, который переправляется на очень большое расстояние с дополнительным топливом на борту. Для взлета с избыточным весом обычно требуется исключительно длинная взлетно-посадочная полоса. Перевозки с перевесом пассажиров на борту запрещены.

Многие небольшие самолеты имеют максимальный посадочный вес, который совпадает с максимальным взлетным весом, и в этом случае не может возникнуть проблем с посадкой с избыточным весом из-за избытка топлива на борту.

CG большого коммерческого транспортного самолета [ править ]

В этом разделе показаны данные, полученные в рамках исследовательского гранта NASA Ames для большого коммерческого транспортного самолета.^{[4] [5]}

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

Несчастные случаи [ править ]

• Air Midwest Flight 5481 : в январе 2003 года был отправлен Beech 1900D с максимальной массой более 230 кг (230 кг), в основном в задней части, поэтому его центр тяжести находился на 5% в корме. Он разбился, погибли все 21 находившиеся на борту. ^[6]
• В феврале 2005 года Challenger 600 вылетел из Тетерборо, штат Нью-Джерси , загруженный так далеко вперед, что он был вне пределов CG и не мог вращаться , врезался через забор аэропорта в здание, серьезно ранив трех пассажиров и уничтожив самолет. ^[6]
• В июле 2013 года De Havilland Canada DHC-3 Otter вылетел из Солдотны, Аляска , остановился после вращения и разбился на расстоянии 2300 футов (700 м) от точки отпускания тормозов, поскольку он был перегружен на 418 фунтов (190 кг), а его ЦТ был хорошо позади заднего предела. Все десять жителей погибли. ^[6]

См. Также [ править ]

• Указатель авиационных статей

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

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