Těžiště letadla - Center of gravity of an aircraft

Těžiště (CG) letadla je bod, nad kterým by letadlo rovnováhy. Jeho poloha se vypočítá poté, co se letadlo podepře na alespoň dvou sadách váh nebo siloměrů a zaznamená se hmotnost uvedená na každé sadě vah nebo siloměrů. Těžiště ovlivňuje stabilitu letadla. Aby bylo zajištěno bezpečné létání letadla, musí těžiště spadat do stanovených mezí stanovených výrobcem letadla.

Terminologie

Nosný zavazadlový prostor Fokkeru F.XII v roce 1933, vyhýbající se problému s těžkými závažími směrem dozadu
Zátěž
Předřadník je odnímatelná nebo trvale instalovaná hmotnost v letadle používaném k uvedení těžiště do přípustného dosahu.
Limity těžiště
Meze těžiště (CG) jsou specifikovány podélné (dopředu a dozadu) a/nebo laterálně (vlevo a vpravo) limity, ve kterých musí být těžiště letadla během letu umístěno. Limity CG jsou uvedeny v letové příručce letounu. Oblast mezi limity se nazývá CG dosah letadla.
Hmotnost a vyvážení
Když je hmotnost letadla na nebo pod povoleným limitem (limity) pro jeho konfiguraci (zaparkované, pohyb po zemi, vzlet, přistání atd.) A jeho těžiště je v přípustném rozsahu, a obě zůstanou po dobu letu se říká, že letadlo má hmotnost a rovnováhu . Pro různé situace mohou být definovány různé maximální hmotnosti; například velká letadla mohou mít maximální přistávací hmotnosti, které jsou nižší než maximální vzletové hmotnosti (protože při spalování paliva během letu se očekává ztráta určité hmotnosti). Těžiště se může v průběhu letu měnit, protože se mění hmotnost letadla v důsledku spalování paliva nebo cestujících pohybujících se dopředu nebo dozadu v kabině.
Referenční datum
Referenční údaj je referenční rovinu, která umožňuje přesné a rovnoměrné, měření na libovolný bod na letadle. Umístění referenčního bodu je stanoveno výrobcem a je definováno v letové příručce letadla. Horizontální referenční vztažný bod je imaginární svislá rovina nebo bod umístěný podél podélné osy letadla, od kterého se pro účely hmotnosti a vyvážení měří všechny horizontální vzdálenosti. Pro jeho polohu neexistuje žádné pevné pravidlo a může být umístěno před nosem letadla. U vrtulníků může být umístěn u stožáru rotoru, u nosu vrtulníku nebo dokonce v bodě v prostoru před vrtulníkem. Přestože horizontální referenční vztažný bod může být kdekoli, který si výrobce zvolí, většina malých cvičných vrtulníků má horizontální referenční vztažný bod 100 palců před osou hlavního hřídele rotoru. To má zachovat všechny vypočítané hodnoty kladné. Boční referenční vztažný bod je obvykle umístěn ve středu helikoptéry.
Paže
Rameno je horizontální vzdálenost od referenčního bodu k těžišti (CG) položky. Algebraické znaménko je plus (+), pokud je měřeno na zádi vztažného bodu nebo na pravé straně středové čáry při zvažování laterálního výpočtu. Algebraické znaménko je minus ( -), pokud je měřeno před vztažným bodem nebo levou stranou středové čáry při zvažování laterálního výpočtu.
Okamžik
Moment je moment síly nebo točivého momentu , který vyplývá z hmotnosti předmětu působícího obloukem, který je vycentrován na nulový bod referenční vztažné vzdálenosti. Moment je také označován jako tendence objektu otáčet se nebo otáčet kolem bodu (v tomto případě nulový bod nulového bodu). Čím je předmět dále od tohoto bodu, tím větší je síla, kterou působí. Moment se vypočítá vynásobením hmotnosti předmětu jeho paží.
Střední aerodynamický akord (MAC)
Specifická akordová linie zúženého křídla. Na středním aerodynamickém akordu má střed tlaku stejnou aerodynamickou sílu, polohu a plochu jako na zbytku křídla. MAC představuje šířku ekvivalentního obdélníkového křídla za daných podmínek. U některých letadel je těžiště vyjádřeno jako procento délky MAC. Aby bylo možné provést takový výpočet, musí být pozice náběžné hrany MAC známa předem. Tato poloha je definována jako vzdálenost od referenčního bodu a nachází se v letové příručce letadla a také v datovém listu typového osvědčení letadla. Není -li zadán obecný MAC, ale je uveden LeMAC (střední aerodynamický akord na náběžné hraně) a TeMAC (střední aerodynamický akord na zadní hraně) (oba by byly označeny jako rameno měřené od vztažné čáry), pak váš MAC může najít rozdíl mezi vaším LeMAC a TeMAC.

Výpočet

Těžiště (CG) se vypočítá následovně:

  • Určete hmotnosti a ramena veškeré hmotnosti v letadle.
  • Vypočítejte momenty vynásobením závaží pažemi pro celou hmotnost.
  • Sečtěte okamžiky veškeré hmoty dohromady.
  • Vydělením celkového momentu celkovou hmotností letadla získáte celkovou paži.

Rameno, které vyplývá z tohoto výpočtu, musí být v mezích těžiště diktovaných výrobcem letadla. Pokud tomu tak není, musí být hmotnost v letadle odebrána, přidána (zřídka) nebo přerozdělena, dokud těžiště neklesne do předepsaných mezí.

Výpočty těžiště letadla se provádějí pouze podél jedné osy od nulového bodu referenčního bodu, který představuje podélnou osu letadla (pro výpočet vyvážení zepředu dozadu). Některé typy vrtulníků využívají boční limity CG i podélné limity. Provoz těchto vrtulníků vyžaduje výpočet CG ve dvou osách: jeden výpočet pro podélné CG (vyvážení zepředu dozadu) a druhý výpočet pro boční CG (vyvážení zleva doprava).

Hmotnost, moment a hodnoty ramen pevných položek v letadle (tj. Motory, křídla, elektronické součásti) se nemění a jsou uvedeny výrobcem v seznamu vybavení letadla. Výrobce také poskytuje informace usnadňující výpočet momentů pro zatížení palivem. Položky vyjímatelné hmotnosti (tj. Členové posádky, cestující, zavazadla) musí provozovatel letadla řádně započítat do výpočtu hmotnosti a těžiště.

Příklad

Hmotnost (lb) Paže (palce) Moment (lb-in)
Prázdné letadlo 1,495,0 101,4 151,593,0
Pilot a cestující 380,0 64,0 24 320,0
Palivo (30 galonů @ 6 lb/gal) 180,0 96,0 17,280,0
Celkem 2,055,0 94,0 193,193,0

Abychom našli těžiště, vydělíme celkový moment celkovou hmotností: 193,193 / 2,055 = 94,01 palce za vztažnou rovinou.

U větších letadel je hmotnost a rovnováha často vyjádřena jako procento průměrného aerodynamického tětivy neboli MAC. Předpokládejme například, že přední hrana MAC je 62 palců za vztažným bodem. Výše vypočítaná CG tedy leží 32 palců za náběžnou hranou MAC. Pokud má MAC délku 80 palců, procento MAC je 32/80 = 40%. Pokud by byly povolené limity 15% až 35%, letadlo by nebylo správně naloženo.

Nesprávná hmotnost a vyvážení v letadlech s pevnými křídly

Těžiště tohoto British Aerospace 146 se posunulo dozadu, když byly odstraněny jeho motory. Výsledkem bylo, že se za větrných podmínek převrátil zpět na zadní část trupu.

Je -li těžiště nebo hmotnost letadla mimo přijatelný rozsah, letadlo nemusí být schopné vydržet let nebo může být nemožné za určitých nebo všech okolností udržet letadlo ve vodorovném letu, v některých případech za následek zatížení řazení . Umístění těžiště nebo hmotnosti letadla mimo povolený rozsah může vést k nevyhnutelné havárii letadla.

Těžiště je mimo dosah

Když je těžiště zepředu (CG) mimo dosah, dochází k vážným problémům s ovládáním letadla. CG zepředu ovlivňuje podélnou stabilitu letadla, přičemž stabilita se zvyšuje, když se CG pohybuje vpřed, a stabilita klesá, když se CG pohybuje dozadu. S přední polohou CG, ačkoliv se stabilita letadla zvyšuje, se sníží autorita řízení výtahu ve schopnosti zvednout nos letadla. To může způsobit vážný stav během světlice při přistání, kdy nelze nos dostatečně zvednout, aby zpomalil letadlo. Pozice CG na zádi vytváří vážné problémy s ovládáním v důsledku snížené stability stoupání a zvýšené citlivosti ovládání výtahu s potenciální ztrátou kontroly nad letadlem. Protože spalování paliva postupně vede ke ztrátě hmotnosti a případně k posunu CG, je možné, aby letadlo startovalo s CG v normálním provozním dosahu, a přesto později vyvinulo nerovnováhu, která má za následek problémy s ovládáním. Výpočty CG s tím musí počítat (často část z toho je předem vypočítána výrobcem a začleněna do limitů CG).

Zde je příklad Piper Mirage s příliš velkou hmotností v zadní části letadla, která má za následek vzletovou CG v mezích (zelený referenční bod), ale přistávací CG je vzadu za limity CG Envelope (modrý referenční bod).

Úprava CG v mezích

Množství, o které je třeba hmotnost přesunout, lze zjistit pomocí následujícího vzorce 

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

Příklad: 

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)

Chceme přesunout CG 1 pomocí 100 lb tašky v zavazadlovém prostoru. 

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

Přepracování problému se 100 lb se přesunulo o 16 vpřed na 68 tahů CG 1 in. 

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

Hmotnost mimo rozsah

Několik letadel ukládá minimální hmotnost pro let (ačkoli je často stanovena minimální hmotnost pilota), ale všechna ukládají maximální hmotnost. Pokud je překročena maximální hmotnost, letadlo nemusí být schopno dosáhnout nebo udržet řízený vodorovný let. Nadměrná vzletová hmotnost může znemožnit vzlet v rámci dostupných délek dráhy nebo může zcela zabránit vzletu. Nadměrná hmotnost za letu může ztížit nebo znemožnit výstup za určitou nadmořskou výšku nebo může znemožnit udržování nadmořské výšky.

Nesprávná hmotnost a vyvážení ve vrtulnících

Těžiště je u vrtulníků ještě kritičtější než u letadel s pevnými křídly (problémy s hmotností zůstávají stejné). Stejně jako u letadel s pevnými křídly může být helikoptéra pro start řádně naložena, ale blízko konce dlouhého letu, kdy jsou palivové nádrže téměř prázdné, se CG možná posunulo natolik, že helikoptéra je z boku nebo podélně v nerovnováze. U vrtulníků s jediným hlavním rotorem je CG obvykle blízko hlavního stožáru rotoru. Nesprávné vyvážení zátěže helikoptéry může mít za následek vážné problémy s ovládáním. Kromě toho, že je helikoptéra obtížně ovladatelná, stav vyvážení mimo vyvážení také snižuje manévrovatelnost, protože cyklické řízení je méně účinné ve směru opačném k poloze CG.

Pilot se snaží dokonale vyvážit helikoptéru tak, aby trup zůstal ve vznášeném letu vodorovný, bez korekce cyklického sklonu kromě korekce větru. Protože trup funguje jako kyvadlo zavěšené na rotoru, změnou těžiště se mění úhel, pod kterým letadlo visí z rotoru. Když je těžiště přímo pod rotorovým stožárem, vrtulník visí vodorovně; pokud je CG příliš daleko před stožárem, vrtulník visí se sklopeným nosem; pokud je CG příliš daleko za sloupem, nos se nakloní nahoru.

CG forward of forward limit

Dopředu CG může nastat, když těžký pilot a cestující vzlétnou bez zavazadel nebo řádného předřadníku umístěného vzadu na stožáru rotoru. Tato situace se zhoršuje, pokud jsou palivové nádrže umístěny vzadu na stožáru rotoru, protože jak palivo hoří, hmotnost umístěná na zádi stožáru rotoru se zmenšuje.

Tato podmínka je rozpoznatelná při přechodu na vznášení po vertikálním vzletu. Vrtulník bude mít nízký nos a pilot bude potřebovat nadměrné posunutí cyklického ovládání dozadu, aby udržel vznášedlo za bezvětří. V tomto stavu by pilotovi mohlo rychle dojít zadní cyklické řízení, protože vrtulník spotřebovává palivo. Pilot může také považovat za nemožné dostatečně zpomalit, aby helikoptéru zastavil. V případě poruchy motoru a z toho vyplývající autorotace nemusí mít pilot dostatek cyklické kontroly, aby mohl řádně vzplanout pro přistání.

Dopředu CG nebude tak zřejmé, když se vznáší do silného větru, protože je zapotřebí méně cyklického posunu dozadu než při vznášení bez větru. Při určování, zda existuje kritický stav rovnováhy, je nezbytné vzít v úvahu rychlost větru a jeho vztah k posunutí cyklického ovládání dozadu.

CG vzadu na zádi

Bez řádného předřadníku v kokpitu může k překročení zadního CG dojít, když:

  • Lehký pilot startuje sólo s plným nákladem paliva umístěným vzadu na stožáru rotoru.
  • Lehký pilot startuje s maximálním povoleným zavazadlem v zavazadlovém prostoru umístěném na zádi stožáru rotoru.
  • Lehký pilot startuje s kombinací zavazadel a značného paliva tam, kde jsou oba vzadu na stožáru rotoru.

Pilotní stav může být rozpoznán při příletu vznášedlem po vertikálním vzletu. Vrtulník bude mít nízko umístěný ocas a pilot bude potřebovat nadměrný posun cyklického řízení dopředu, aby udržel vznášedlo za bezvětří. Pokud je vítr, pilot potřebuje ještě větší dopřednou cyklickou jízdu. Pokud bude let pokračovat v tomto stavu, pilot může shledat, že je nemožné létat v horním přípustném rozsahu rychlosti letu kvůli nedostatečné dopředné cyklické autoritě k udržení nízko položeného nosu. Navíc při extrémně dlouhém CG by nárazový nebo drsný vzduch mohl urychlit vrtulník na rychlost vyšší, než jakou produkoval s plně dopředným cyklickým ovládáním. V tomto případě by nesymetrie zdvihu a klapání listu mohla způsobit naklonění kotouče rotoru dozadu. Při již použitém úplném dopředném cyklickém ovládání nemusí být rotorový kotouč spuštěn dolů, což může mít za následek ztrátu kontroly nebo lopatky rotoru narazí na ocasní výložník.

Boční vyvážení

U letadel s pevnými křídly je boční vyvážení často mnohem méně kritické než vyvážení zepředu, jednoduše proto, že většina hmoty v letadle se nachází velmi blízko jeho středu. Výjimkou je palivo, které může být naloženo do křídel, ale vzhledem k tomu, že množství paliva je obvykle symetrické kolem osy letadla, není boční vyvážení obvykle ovlivněno. Boční těžiště se může stát důležitým, pokud není palivo rovnoměrně naloženo do nádrží na obou stranách letadla, nebo (v případě malých letadel), když jsou cestující převážně na jedné straně letadla (například pilot létající sám) v malém letadle). Malé boční odchylky CG, které jsou v mezích, mohou způsobit nepříjemnou tendenci k převrácení, kterou musí piloti kompenzovat, ale nejsou nebezpečné, pokud CG zůstane v mezích po celou dobu letu.

U většiny helikoptér obvykle není pro normální letový výcvik a osobní lety nutné stanovit boční CG. Důvodem je to, že kabiny helikoptér jsou poměrně úzké a většina volitelného vybavení je umístěna poblíž osy. Některé příručky k helikoptéře však uvádějí sedadlo, ze kterého musí být sólo let prováděn. Pokud navíc dojde k neobvyklé situaci, jako je těžký pilot a plné zatížení paliva na jedné straně vrtulníku, která by mohla ovlivnit boční CG, měla by být jeho poloha zkontrolována podle obálky CG. Pokud nesete vnější břemena v poloze, která vyžaduje velký boční cyklický řídicí posun k udržení vodorovného letu, může být cyklická účinnost vpředu i vzadu dramaticky omezena.

Skládání paliva a operace s nadváhou

Mnoho velkých letadel dopravní kategorie je schopno vzlétnout s větší hmotností, než jakou mohou přistát. To je možné, protože hmotnost paliva, které mohou křídla unést podél svého rozpětí za letu nebo při parkování nebo pojíždění na zemi, je větší, než snesou během stresu z přistání a přistání, kdy není podpora rozložena podél rozpětí křídla.

Obvykle je část hmotnosti letadla, která překračuje maximální přistávací hmotnost (ale spadá do maximální vzletové hmotnosti), zcela složena z paliva. Jak letadlo letí, palivo dohořívá a v době, kdy je letadlo připraveno k přistání, je pod maximální přistávací hmotností. Pokud však letadlo musí přistát brzy, někdy palivo, které zůstane na palubě, stále udržuje letadlo nad maximální přistávací hmotností. Když k tomu dojde, musí letadlo před přistáním palivo buďto spálit (letem v držení), nebo jej vyhodit (pokud je k tomu letadlo vybaveno), aby nedošlo k poškození letadla. V případě nouze se letadlo může rozhodnout přistát s nadváhou, ale to ho může poškodit a přinejmenším přistání s nadváhou bude vyžadovat důkladnou kontrolu, aby se zkontrolovalo případné poškození.

V některých případech může letadlo záměrně vzlétnout s nadváhou. Příkladem může být letadlo přepravované na velmi dlouhou vzdálenost s přídavným palivem na palubě. Vzlet s nadváhou obvykle vyžaduje výjimečně dlouhou dráhu. Operace s nadváhou nejsou povoleny s cestujícími na palubě.

Mnoho menších letadel má maximální přistávací hmotnost, která je stejná jako maximální vzletová hmotnost, v takovém případě nemohou nastat problémy s přistáváním s nadváhou kvůli přebytku paliva na palubě.

CG velkých dopravních letadel

Tato část ukazuje data získaná z výzkumného grantu NASA Ames pro velká komerční dopravní letadla.

CG faktory pro dopravní letadla


CG komponent a systémů


Řada CG typických dopravních letadel


Provozní dolet CG se používá během fáze vzletu a přistání letu a přípustný dolet CG se využívá během pozemního provozu (tj. Při nakládání letadla cestujícími, zavazadly a palivem).

Nehody

  • Air Midwest Flight 5481 : v lednu 2003 byl buk 1900D odeslán s více než 500 lb (230 kg) nad svou maximální hmotností a většinou vzadu, takže jeho těžiště bylo 5% na zádi. Při havárii zahynulo všech 21 na palubě.
  • V únoru 2005 opustil Challenger 600 Teterboro, New Jersey , naložený tak daleko dopředu, že byl mimo limit CG a nemohl se otáčet , narazil přes plot letiště do budovy, vážně zranil tři cestující a zničil letadlo.
  • V červenci 2013 odletěla de Havilland Canada DHC-3 Otter ze Soldotny na Aljašce , zastavila se po otočení a havarovala ve vzdálenosti 700 m od bodu uvolnění brzdy, protože byla přetížena 190 kg a její CG byla hodně vzadu za zadním limitem. Všech deset cestujících zemřelo.

Viz také

Reference

Další čtení