Центр тяжести самолета - Center of gravity of an aircraft

Эта статья нужны дополнительные цитаты для проверка. Пожалуйста помоги улучшить эту статью к добавление цитат в надежные источники. Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален Найдите источники: «Центр тяжести самолета»  – Новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR (Март 2015 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

В центр тяжести (ЦТ) самолета это точка, над которой самолет будет балансировать.^[1] Его положение рассчитывается после поддержки самолета не менее чем двумя комплектами Весы или же тензодатчики и отмечая вес, указанный на каждом наборе весов или тензодатчиков. Центр тяжести влияет на стабильность самолета. Чтобы самолет был безопасен в полете, центр гравитации должны находиться в определенных пределах, установленных изготовителем воздушного судна.

Терминология

Носовое багажное отделение Fokker F.XII в 1933 году, избегая проблемы с тяжелыми грузами сзади

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 границами называется CG диапазон самолета.

Вес и баланс

Когда вес летательного аппарата находится на уровне или ниже допустимого предела (ей) для его конфигурации (стоянка, движение по земле, взлет, посадка и т. Д.), А его центр тяжести находится в допустимом диапазоне, и оба останутся таковыми. на время полета самолет находится в пределах вес и баланс. Для разных ситуаций могут быть определены разные максимальные веса; например, большой самолет может иметь максимальную посадочную массу, которая меньше 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

В опорная точка это эталонная плоскость, которая позволяет проводить точные и единообразные измерения в любой точке самолета. Расположение исходной точки устанавливается изготовителем и определяется в руководстве по летной эксплуатации самолета. Горизонтальная опорная точка представляет собой воображаемую вертикальную плоскость или точку, расположенную вдоль продольной оси самолета, 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 учебных 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

Момент - это момент силы, или крутящий момент, Что результаты от веса действующего объекта по дуге, 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 оказывает. 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 руководство по летной эксплуатации самолета а также в паспорте типа ВС. Если общий MAC не указан, но даны 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 можно найти, определив разницу между вашим LeMAC и вашим TeMAC.

Расчет

Центр тяжести (ЦТ) рассчитывается следующим образом:

• Определите веса и вооружения всех масс внутри самолета.
• 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, установленного 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 неподвижных 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 предметы (например, члены экипажа, пассажиры, багаж) должны быть надлежащим образом учтены при расчете веса и CG эксплуатантом воздушного судна.

Пример

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 передний край MAC составляет 62 дюймов на корме от нулевой точки. Следовательно, вычисленная выше ЦТ находится на 32 дюйма позади передней кромки МАП. Если MAC имеет длину 80 дюймов, процент MAC составляет 32/80 = 40%. Если бы допустимые пределы были от 15% до 35%, самолет нет быть правильно загруженным.

Неправильный вес и балансировка в самолетах с неподвижным крылом

Центр тяжести этого Бритиш Аэроспейс 146 сдвинулся 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 переключение нагрузки. Размещение ЦТ или веса самолета за пределами допустимого диапазона может привести к неизбежной аварии самолета.

Центр тяжести вне допустимого диапазона

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 уменьшается 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 в корме создает серьезные проблемы с управлением из-за пониженной 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, но позже развить дисбаланс, который приводит 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, в результате которого ЦТ при взлете находится в определенных пределах (зеленая контрольная точка), но ЦТ при посадке находится за пределами огибающей ЦТ (синяя контрольная точка).^[3]

Регулировка ЦТ в пределах

Величину перемещаемого груза можно найти по следующей формуле

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

Пример:

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

Мы хотим переместить CG 1, используя 100-фунтовый багаж в багажном отделении.

расстояние сдвига = (общий вес * изменение в кг) / сдвиг веса 16 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 моментов (самолет) 100 фунтов * 84 дюймов = 6800 моментов (багаж) cg = 36 дюймов = (50850 + 6800) / 1600 фунтов новый cg = 36 дюймов

Вес вне допустимого диапазона

Некоторые самолеты устанавливают минимальный вес для полета (хотя часто указывается минимальный вес пилота), но все устанавливают максимальный вес. Если максимальный вес будет превышен, самолет 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. Избыточный вес в полете может затруднить или сделать невозможным набор высоты выше определенной высоты или сделать невозможным поддержание высоты.

Неправильный вес и балансировка в вертолетах

Центр тяжести имеет еще 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 должным образом 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 управления циклическим шагом, за исключением поправки на ветер. Поскольку фюзеляж действует как маятник, подвешенный к ротору, изменение центра тяжести приводит к изменению угла, 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 зависнет, наклонив нос вниз; если ЦТ находится слишком далеко от мачты, нос приподнимается.

CG вперед от прямого лимита

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 мог бы 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 возникшего Автоматический поворот, пилот может не иметь достаточного циклического управления, чтобы должным образом произвести посадку.

ЦТ вперед не будет таким очевидным при зависании при сильном ветре, поскольку требуется меньшее циклическое смещение назад, чем при зависании без ветра. При определении наличия критического состояния равновесия необходимо учитывать скорость ветра и ее связь с обратным смещением циклического управления.

CG за кормой

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 отсеке, расположенном за мачтой несущего винта.
• Легкий пилот взлетает с сочетанием багажа и значительного количества топлива, когда оба они находятся за мачтой 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 продолжится в этом состоянии, пилот может счесть невозможным полет в верхнем допустимом диапазоне воздушной скорости из-за недостаточного управления циклическим движением вперед для поддержания положения с опущенным носом. Вдобавок, с экстремально заданной ЦТ, порывистый или суровый воздух может разогнать вертолет до скорости, превышающей скорость, создаваемую при полном циклическом управлении вперед. В этом случае, асимметрия подъемника и хлопанье лопастей может вызвать отклонение диска ротора назад. При уже примененном полном циклическом управлении вперед диск ротора может не опускаться, что может привести к потере управления или ударам лопастей несущего винта о хвостовую балку.

Боковое равновесие

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 загружается 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 в пределах допустимых значений могут вызвать неприятную тенденцию к крену, которую пилоты должны компенсировать, но они не опасны, пока ЦТ остается в определенных пределах на протяжении всего полета.

Для большинства вертолетов, как правило, нет необходимости определять боковую ЦТ для обычных 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 должно быть проверено по огибающей 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

Многие большие 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 по 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, его вес ниже своего максимального посадочного веса. Однако, если самолет должен приземлиться раньше, иногда топливо, которое остается на борту, по-прежнему удерживает самолет выше максимальной посадочной массы. 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, равный максимальному взлетному весу, и в этом случае не может возникнуть проблем с посадкой с избыточным весом из-за избыточного количества топлива на борту.

ЦТ большого коммерческого транспортного самолета

В этом разделе показаны данные, полученные в рамках исследовательского гранта NASA Ames для крупных коммерческих транспортных самолетов.^[4][5]

Коэффициенты CG для транспортных самолетов

CG компонентов и систем

Диапазон CG типичного транспортного самолета

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

Несчастные случаи

• Рейс 5481 авиакомпании Air Midwest: в январе 2003 г. Бук 1900D был отправлен с более чем 500 фунтов (230 кг) сверх его максимального веса, и 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 г. Challenger 600 отправился Тетерборо, Нью-Джерси, загружен так далеко вперед, что выходит за предел CG и не может вращать, врезался в забор аэропорта в здание, тяжело ранив трех пассажиров и уничтожив самолет.^[6]
• В июле 2013 г. de Havilland Canada DHC-3 Оттер отправился Солдотна, 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 находился далеко позади заднего предела. Все десять жителей погибли.^[6]

Смотрите также

• Указатель авиационных статей

Рекомендации

дальнейшее чтение

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