Flugzeug: Gewicht und Balance - Airplane: Weight and Balance
Die Gewichts- und Schwerpunktdaten des Flugzeugs sind wichtige Informationen für einen Piloten, die häufig neu bewertet werden müssen. Obwohl das Flugzeug während des Zertifizierungsprozesses gewogen wurde, sind diese Informationen nicht unbegrenzt gültig. Ausrüstungsänderungen oder -modifikationen wirken sich auf die Gewichts- und Waagendaten aus. Zu oft reduzieren Piloten das Gewicht und die Balance des Flugzeugs auf eine Faustregel, wie zum Beispiel: „Wenn ich drei Passagiere habe, kann ich nur 100 Gallonen Treibstoff laden; vier Passagiere, 70 Gallonen.“
Gewichts- und Gleichgewichtsberechnungen sollten Teil jeder Vorflugbesprechung sein. Gehen Sie niemals davon aus, dass drei Passagiere immer gleich schwer sind. Führen Sie stattdessen eine vollständige Berechnung aller Gegenstände durch, die in das Flugzeug geladen werden sollen, einschließlich Gepäck, sowie Pilot und Passagier. Es wird empfohlen, alle Gepäckstücke zu wiegen, um eine genaue Berechnung der Position des Schwerpunkts des Flugzeugs durchführen zu können.
Die Bedeutung des CG wurde in der Diskussion über Stabilität, Kontrollierbarkeit und Leistung betont. Ungleiche Lastverteilung verursacht Unfälle. Ein kompetenter Pilot versteht und respektiert die Auswirkungen von CG auf ein Flugzeug.
Gewicht und Balance sind entscheidende Komponenten bei der Nutzung eines Flugzeugs in vollem Umfang. Der Pilot muss wissen, wie viel Treibstoff in das Flugzeug geladen werden kann, ohne die Schwerpunktgrenzen zu verletzen, sowie die Gewichtsgrenzen, um lange oder kurze Flüge mit oder ohne eine vollständige Anzahl zulässiger Passagiere durchzuführen. Beispielsweise hat ein Flugzeug vier Sitze und kann 60 Gallonen Treibstoff transportieren. Wie viele Passagiere kann das Flugzeug sicher befördern? Können all diese Sitze bei den unterschiedlichen Kraftstoffmengen jederzeit besetzt werden? Vier Personen, die jeweils 150 Pfund wiegen, führen zu einer anderen Gewichts- und Gleichgewichtsberechnung als vier Personen, die jeweils 200 Pfund wiegen. Das zweite Szenario lädt zusätzliche 200 Pfund auf das Flugzeug und entspricht etwa 30 Gallonen Treibstoff.
Das zusätzliche Gewicht kann den CG außerhalb der CG-Hülle platzieren oder auch nicht, aber das maximale Bruttogewicht könnte überschritten werden. Das Übergewicht kann das Flugzeug überlasten und die Leistung beeinträchtigen.
Flugzeuge sind aus zwei Hauptgründen für Gewicht und Balance zertifiziert:
1. Die Wirkung des Gewichts auf die Primärstruktur des Flugzeugs und seine Leistungsmerkmale
2. Die Auswirkung der Anordnung dieses Gewichts auf die Flugeigenschaften, insbesondere bei der Rückgewinnung und Stabilität beim Überziehen und Trudeln
Flugzeuge wie Ballons und Gewichtsverlagerungssteuerung erfordern keine Gewichts- und Gleichgewichtsberechnungen, da die Last unter dem Hebemechanismus aufgehängt ist. Die Schwerpunktreichweite bei diesen Flugzeugtypen ist so groß, dass es schwierig ist, die Belastungsgrenzen zu überschreiten. Zum Beispiel sind die hintere Sitzposition und der Treibstoff eines Flugzeugs mit Gewichtsverlagerungssteuerung so nahe wie möglich am Aufhängepunkt, wenn sich das Flugzeug in einer hängenden Lage befindet. Somit haben Lastschwankungen wenig Einfluss auf den Schwerpunkt. Das gilt auch für den Ballonkorb oder die Gondel. Obwohl es schwierig ist, die CG-Grenzwerte in diesen Flugzeugen zu überschreiten, sollten Piloten ein Flugzeug niemals überladen, da eine Überladung zu strukturellen Schäden und Ausfällen führt. Gewichts- und Gleichgewichtsberechnungen sind nicht erforderlich, aber Piloten sollten das Gewicht berechnen und innerhalb der vom Hersteller festgelegten Grenzen bleiben.
Einfluss des Gewichts auf die Flugleistung
Die Start-/Steig- und Landeleistung eines Luftfahrzeugs wird auf der Grundlage seines maximal zulässigen Start- und Landegewichts bestimmt. Ein höheres Bruttogewicht führt zu einem längeren Startlauf und einem flacheren Steigen sowie zu einer schnelleren Aufsetzgeschwindigkeit und einem längeren Landerollen. Selbst eine geringfügige Überlastung kann es dem Flugzeug unmöglich machen, ein Hindernis zu überwinden, das normalerweise während des Starts unter günstigeren Bedingungen kein Problem darstellen würde.
Die nachteiligen Auswirkungen einer Überlastung auf die Leistung sind nicht auf die unmittelbaren Gefahren beschränkt, die mit Starts und Landungen verbunden sind. Überlastung wirkt sich nachteilig auf die gesamte Steig- und Reiseleistung aus, was zu Überhitzung während Steigflügen, zusätzlichem Verschleiß an Motorteilen, erhöhtem Kraftstoffverbrauch, langsameren Reisegeschwindigkeiten und verringerter Reichweite führt.
Die Hersteller moderner Flugzeuge liefern mit jedem produzierten Flugzeug Gewichts- und Balancedaten. Im Allgemeinen sind diese Informationen in den von der FAA zugelassenen AFM/POH zu finden, und es werden jetzt leicht lesbare Diagramme zur Bestimmung von Gewichts- und Gleichgewichtsdaten bereitgestellt. Erhöhte Leistung und Belastbarkeit dieser Flugzeuge erfordern die strikte Einhaltung der vom Hersteller vorgeschriebenen Betriebsgrenzen. Abweichungen von den Empfehlungen können zu strukturellen Schäden oder zum vollständigen Versagen der Flugzeugstruktur führen. Selbst wenn ein Flugzeug gut innerhalb der maximalen Gewichtsbeschränkungen beladen ist, ist es zwingend erforderlich, dass die Gewichtsverteilung innerhalb der Grenzen der Schwerpunktposition liegt. Die vorangegangene kurze Studie über Aerodynamik und Belastungsfaktoren weist auf die Gründe für diese Vorsichtsmaßnahme hin.
In einigen Flugzeugen ist es nicht möglich, alle Sitze, Gepäckfächer und Treibstofftanks zu füllen und trotzdem innerhalb der zugelassenen Gewichts- oder Schwerpunktgrenzen zu bleiben. Zum Beispiel können in mehreren populären viersitzigen Flugzeugen die Treibstofftanks nicht bis zur Kapazitätsgrenze gefüllt sein, wenn vier Insassen und ihr Gepäck befördert werden. In einem bestimmten zweisitzigen Flugzeug darf kein Gepäck im Abteil hinter den Sitzen befördert werden, wenn Trudeln geübt werden sollen. Für einen Piloten ist es wichtig, sich der Gewichts- und Gleichgewichtsbeschränkungen des Flugzeugs, das geflogen wird, und der Gründe für diese Beschränkungen bewusst zu sein.
Auswirkung des Gewichts auf die Flugzeugstruktur
Die Auswirkung von zusätzlichem Gewicht auf die Flügelstruktur eines Flugzeugs ist nicht ohne weiteres ersichtlich. Die Lufttüchtigkeitsanforderungen schreiben vor, dass die Struktur eines Flugzeugs, das in der normalen Kategorie (in der Akrobatik verboten ist) zugelassen ist, stark genug sein muss, um einem Belastungsfaktor von 3,8 Gs standzuhalten, um dynamische Belastungen durch Manövrieren und Böen zu bewältigen. Das bedeutet, dass die Primärstruktur des Flugzeugs einer Belastung mit dem 3,8-fachen des zulässigen Gesamtgewichts des Flugzeugs standhalten kann, ohne dass es zu einem strukturellen Versagen kommt. Wenn dies als Hinweis auf die Belastungsfaktoren akzeptiert wird, die während des Betriebs, für den das Flugzeug bestimmt ist, auferlegt werden können, führt eine Überlastung von 100 Pfund zu einer möglichen strukturellen Überlastung von 380 Pfund. Die gleiche Überlegung ist noch beeindruckender im Fall von Flugzeugen der Kategorie Utility und Akrobatik,
Strukturelle Schäden, die aus Überlastung resultieren, können dramatisch und katastrophal sein, aber häufiger wirken sie sich fortschreitend auf strukturelle Komponenten in einer Weise aus, die schwer zu erkennen und teuer zu reparieren ist. Gewohnheitsmäßige Überlastung neigt dazu, kumulative Spannungen und Schäden zu verursachen, die bei Inspektionen vor dem Flug möglicherweise nicht erkannt werden und später während des völlig normalen Betriebs zu strukturellem Versagen führen. Es wird angenommen, dass die zusätzliche Belastung, die auf Strukturteile durch Überlastung ausgeübt wird, das Auftreten von metallischen Ermüdungsbrüchen beschleunigt.
Die Kenntnis der Belastungsfaktoren durch Flugmanöver und Böen unterstreicht die Folgen einer Erhöhung des Bruttogewichts eines Flugzeugs. Die Struktur eines Flugzeugs, das einem Belastungsfaktor von 3 G ausgesetzt werden soll, wie bei der Erholung von einem steilen Sturzflug, muss darauf vorbereitet sein, einer zusätzlichen Belastung von 300 Pfund für jede Gewichtszunahme von 100 Pfund standzuhalten. Es sei darauf hingewiesen, dass dies durch das Hinzufügen von etwa 16 Gallonen unnötigen Treibstoffs in einem bestimmten Flugzeug auferlegt würde. FAA-zertifizierte Zivilflugzeuge wurden strukturell analysiert und für den Flug mit dem maximal zulässigen Bruttogewicht und innerhalb der für die Art der durchzuführenden Flüge angegebenen Geschwindigkeiten getestet. Flüge mit Gewichten über diesem Betrag sind durchaus möglich und liegen oft gut innerhalb der Leistungsfähigkeit eines Flugzeugs. Diese Tatsache sollte den Piloten nicht täuschen,
Beim Beladen eines Flugzeugs mit Passagieren oder Fracht muss die Struktur berücksichtigt werden. Sitze, Gepäckräume und Kabinenböden sind für eine bestimmte Belastung oder Belastungskonzentration ausgelegt und nicht mehr. Zum Beispiel kann ein Gepäckraum eines Leichtflugzeugs wegen der begrenzten Festigkeit seiner Stützstruktur mit 20 Pfund plakatiert werden, obwohl das Flugzeug an diesem Ort möglicherweise nicht überladen ist oder die Schwerpunktgrenzen mit mehr Gewicht überschreitet.
Einfluss des Gewichts auf Stabilität und Kontrollierbarkeit
Eine Überlastung wirkt sich auch auf die Stabilität aus. Ein Flugzeug, das bei normaler Beladung stabil und kontrollierbar ist, kann bei Überladung ganz andere Flugeigenschaften aufweisen. Obwohl die Gewichtsverteilung die direkteste Auswirkung darauf hat, kann erwartet werden, dass eine Erhöhung des Bruttogewichts des Flugzeugs unabhängig von der Position des Schwerpunkts eine nachteilige Auswirkung auf die Stabilität hat. Die Standsicherheit vieler zugelassener Flugzeuge ist bei Überschreitung des Bruttogewichts völlig unbefriedigend.
Auswirkung der Lastverteilung
Die Auswirkung der Position des Schwerpunkts auf die Belastung, die auf den Flügel eines Flugzeugs im Flug ausgeübt wird, ist für die Steig- und Reiseflugleistung signifikant. Ein Flugzeug mit Vorwärtsbeladung ist „schwerer“ und folglich langsamer als das gleiche Flugzeug mit dem Schwerpunkt weiter hinten.
Abbildung zeigt, warum dies zutrifft. Beim Vorwärtsladen ist in den meisten Flugzeugen eine Trimmung mit der Nase nach oben erforderlich, um einen waagerechten Reiseflug aufrechtzuerhalten. Beim Trimmen der Nase nach oben werden die Heckflächen so eingestellt, dass eine größere Abwärtslast auf den hinteren Teil des Rumpfes entsteht, was zur Flächenbelastung und zum gesamten Auftrieb beiträgt, der vom Flügel erforderlich ist, wenn die Höhe beibehalten werden soll. Dies erfordert eine höhere AOA des Flügels, was zu mehr Luftwiderstand und damit zu einer höheren Stalling-Geschwindigkeit führt.
Bei Heckbelastung und „nose-down“-Trimmung üben die Leitwerksflächen weniger Abwärtslast aus, wodurch der Flügel von so viel Flächenbelastung und Auftrieb entlastet wird, die erforderlich sind, um die Höhe zu halten. Der erforderliche AOA des Flügels ist geringer, sodass der Luftwiderstand geringer ist, was eine höhere Reisegeschwindigkeit ermöglicht. Theoretisch würde eine neutrale Belastung der Leitwerke im Reiseflug die effizienteste Gesamtleistung und die schnellste Reisegeschwindigkeit erzeugen, aber auch zu Instabilität führen. Moderne Flugzeuge sind so konstruiert, dass sie für Stabilität und Steuerbarkeit eine Abwärtslast am Heck erfordern. Eine Nullanzeige auf der Trimmflossensteuerung ist nicht unbedingt dasselbe wie „Neutraltrimmung“ wegen der Kraft, die durch den Abwind von den Flügeln und dem Rumpf auf die Leitwerksflächen ausgeübt wird.
Die Auswirkungen der Verteilung der Nutzlast des Flugzeugs haben erheblichen Einfluss auf dessen Flugeigenschaften, auch wenn die Last innerhalb der Schwerpunktgrenzen und des höchstzulässigen Gesamtgewichts liegt. Wichtig unter diesen Effekten sind Änderungen in der Steuerbarkeit, Stabilität und der tatsächlichen Belastung, die auf den Flügel ausgeübt wird.
Im Allgemeinen wird ein Flugzeug weniger steuerbar, insbesondere bei langsamen Fluggeschwindigkeiten, wenn der Schwerpunkt weiter nach hinten bewegt wird. Ein Flugzeug, das sich von einem längeren Trudeln mit dem Schwerpunkt in einer Position sauber erholt, reagiert möglicherweise nicht vollständig auf normale Erholungsversuche, wenn der Schwerpunkt um ein oder zwei Zoll nach achtern bewegt wird.
Es ist übliche Praxis für Flugzeugkonstrukteure, eine hintere CG-Grenze festzulegen, die innerhalb von einem Zoll des Maximums liegt, was eine normale Erholung von einem Trudeln mit einer Umdrehung ermöglicht. Wenn ein Flugzeug in der Gebrauchskategorie zugelassen wird, um absichtliche Drehungen zuzulassen, wird die hintere CG-Grenze normalerweise an einem Punkt festgelegt, der einige Zoll vor dem zulässigen Punkt für die Zulassung in der normalen Kategorie liegt.
Ein weiterer Faktor, der die Steuerbarkeit beeinflusst, der bei gegenwärtigen Konstruktionen großer Flugzeuge wichtiger geworden ist, ist die Wirkung von Hebeln mit langem Moment auf die Positionen von schwerem Gerät und Fracht. Dasselbe Flugzeug kann innerhalb seiner Schwerpunktgrenzen bis zum maximalen Bruttogewicht beladen werden, indem Kraftstoff, Passagiere und Fracht in der Nähe des Design-Schwerpunkts konzentriert werden oder indem Kraftstoff- und Frachtladungen in Flügelspitzentanks und Frachtbehältern vor und hinter der Kabine verteilt werden.
Bei gleichem Gesamtgewicht und Schwerpunkt erfordert das Manövrieren des Flugzeugs oder das Aufrechterhalten eines Horizontalflugs in turbulenter Luft die Anwendung größerer Steuerkräfte, wenn die Last verteilt wird. Die längeren Hebelarme zu den Positionen der Schweröl- und Frachtlasten müssen durch die Wirkung der Steuerflächen überwunden werden. Ein Flugzeug mit vollen Außenflügeltanks oder Spitzentanks neigt dazu, in Rollbewegungen träge zu sein, wenn die Steuersituationen marginal sind, während eines mit vollen Bug- und Heckfrachtbehältern dazu neigt, weniger auf die Höhenrudersteuerungen zu reagieren.
Die rückwärtige CG-Grenze eines Flugzeugs wird weitgehend durch Stabilitätsüberlegungen bestimmt. Die ursprünglichen Lufttüchtigkeitsanforderungen für ein Musterzertifikat legen fest, dass ein Flugzeug im Flug mit einer bestimmten Geschwindigkeit die vertikale Verschiebung der Nase innerhalb einer bestimmten Anzahl von Schwingungen dämpft. Ein zu weit nach hinten beladenes Flugzeug kann dies möglicherweise nicht tun. Stattdessen kann die Nase, wenn sie vorübergehend hochgezogen wird, abwechselnd steigen und tauchen, wobei sie mit jeder Schwingung steiler wird. Diese Instabilität ist nicht nur unangenehm für die Insassen, sondern könnte sogar gefährlich werden, indem sie das Flugzeug unter bestimmten Bedingungen unkontrollierbar macht.
Die Erholung von einem Strömungsabriss in jedem Flugzeug wird zunehmend schwieriger, wenn sich sein Schwerpunkt nach achtern bewegt. Dies ist besonders wichtig bei der Rückgewinnung des Trudelns, da es einen Punkt beim Rückwärtsladen jedes Flugzeugs gibt, an dem sich ein "flaches" Trudeln entwickelt. Ein Flat Spin ist einer, bei dem die Zentrifugalkraft, die durch einen weit hinten angeordneten Schwerpunkt wirkt, das Heck des Flugzeugs von der Achse des Trudelns wegzieht, wodurch es unmöglich wird, die Nase nach unten zu bringen und sich zu erholen.
Ein Flugzeug, das bis zur hinteren Grenze seines zulässigen Schwerpunktbereichs beladen ist, verhält sich in Kurven und Überziehmanövern anders und hat andere Landeeigenschaften als wenn es nahe der vorderen Grenze beladen ist.
Die Vorwärts-CG-Grenze wird durch eine Reihe von Überlegungen bestimmt. Als Sicherheitsmaßnahme ist es erforderlich, dass die Trimmvorrichtung, ob Flügel oder einstellbarer Stabilisator, in der Lage ist, das Flugzeug bei ausgeschaltetem Strom in einem normalen Gleitflug zu halten. Ein konventionelles Flugzeug muss in der Lage sein, eine Landung im Vollstillstand ohne Abschaltung zu ermöglichen, um in Notfällen eine Mindestlandegeschwindigkeit sicherzustellen. Ein übermäßig kopflastig beladenes Spornradflugzeug ist schwer zu rollen, insbesondere bei starkem Wind. Es kann leicht mit den Bremsen überrollt werden, und es ist schwierig zu landen, ohne zu springen, da es dazu neigt, auf den Rädern nach unten zu fallen, wenn es verlangsamt und zur Landung ausgefahren wird. Lenkschwierigkeiten am Boden können bei Flugzeugen vom Bugradtyp auftreten, insbesondere während des Landerollens und des Starts. Die Auswirkungen der Lastverteilung werden wie folgt zusammengefasst:
- Die CG-Position beeinflusst den Auftrieb und die AOA des Flügels, die Menge und Richtung der Kraft auf das Heck und den Grad der Auslenkung des Stabilisators, der benötigt wird, um die richtige Heckkraft für das Gleichgewicht bereitzustellen. Letzteres ist wegen seiner Beziehung zur Steuerkraft des Höhenruders sehr wichtig.
- Das Flugzeug bleibt bei einer höheren Geschwindigkeit mit einer vorderen CG-Position stehen. Dies liegt daran, dass der Stalling AOA aufgrund der erhöhten Flächenbelastung bei einer höheren Geschwindigkeit erreicht wird.
- Höhere Steuerkräfte des Höhenruders sind normalerweise bei einer vorderen CG-Lage aufgrund der erhöhten Stabilisatorauslenkung vorhanden, die zum Ausbalancieren des Flugzeugs erforderlich ist.
- Das Flugzeug fliegt aufgrund des geringeren Luftwiderstands schneller mit einer hinteren CG-Position. Der Luftwiderstand wird verringert, da ein kleinerer AOA und eine geringere Auslenkung des Stabilisators nach unten erforderlich sind, um das Flugzeug zu stützen und die Neigetendenz mit der Nase nach unten zu überwinden.
- Das Flugzeug wird weniger stabil, wenn der Schwerpunkt nach hinten bewegt wird. Dies liegt daran, dass eine Rückwärtsbewegung des CG eine Verringerung des AOA verursacht. Daher wird nun der Flügelbeitrag zur Stabilität des Flugzeugs verringert, während sich der Heckbeitrag immer noch stabilisiert. Wenn der Punkt erreicht ist, an dem sich die Beiträge von Flügel und Leitwerk ausgleichen, liegt eine neutrale Stabilität vor. Jede Schwerpunktbewegung weiter nach achtern führt zu einem instabilen Flugzeug.
- Eine vordere CG-Lage erhöht die Notwendigkeit für einen größeren hinteren Elevatordruck. Das Höhenruder ist möglicherweise nicht länger in der Lage, einer Zunahme des Nickens mit der Nase nach unten entgegenzuwirken. Eine angemessene Höhenrudersteuerung ist erforderlich, um das Flugzeug über den Fluggeschwindigkeitsbereich bis hinunter zum Strömungsabriss zu steuern.
