Flugzeug: Gleichgewicht, Stabilität und Schwerpunkt
Das Gleichgewicht bezieht sich auf die Position des Schwerpunkts eines Flugzeugs und ist wichtig für die Stabilität und Sicherheit im Flug. Der CG ist ein Punkt, an dem das Flugzeug ausbalanciert wäre, wenn es an diesem Punkt aufgehängt wäre.
Das Hauptanliegen beim Ausbalancieren eines Flugzeugs ist die vordere und hintere Lage des Schwerpunkts entlang der Längsachse. Der Schwerpunkt ist nicht unbedingt ein Fixpunkt; seine Position hängt von der Gewichtsverteilung im Flugzeug ab. Wenn variable Lastgegenstände verschoben oder verbraucht werden, ergibt sich eine Verschiebung der CG-Position. Der Abstand zwischen der vorderen und hinteren Grenze für die Position des Schwerpunkts oder des Schwerpunktbereichs ist für ein Luftfahrzeug vom Hersteller zertifiziert. Der Pilot sollte sich darüber im Klaren sein, dass eine zu weit nach vorn verschobene Schwerpunktlage auf der Längsachse zu einem kopflastigen Zustand führt. Wenn umgekehrt der Schwerpunkt zu weit nach hinten auf der Längsachse verschoben wird, ergibt sich ein hecklastiger Zustand. Es ist möglich, dass der Pilot das Flugzeug nicht steuern könnte, wenn die CG-Position einen instabilen Zustand erzeugt.
Auch die Lage des Schwerpunkts in Bezug auf die laterale Achse ist wichtig. Für jedes Gewicht, das links von der Mittellinie des Rumpfs existiert, gibt es ein gleiches Gewicht, das an einer entsprechenden Stelle auf der rechten Seite existiert. Dies kann durch unausgeglichene seitliche Belastung gestört werden. Die Position des seitlichen Schwerpunkts wird nicht in allen Flugzeugen berechnet, aber der Pilot muss sich darüber im Klaren sein, dass durch einen seitlichen Ungleichgewichtszustand nachteilige Auswirkungen auftreten. In einem Flugzeug tritt ein seitliches Ungleichgewicht auf, wenn die Treibstoffladung falsch gehandhabt wird, indem die Triebwerke ungleichmäßig aus Tanks auf einer Seite des Flugzeugs versorgt werden. Der Pilot kann die daraus resultierende flügellastige Bedingung kompensieren, indem er die Trimmung anpasst oder einen konstanten Steuerdruck hält. Diese Aktion versetzt die Flugzeugsteuerungen in einen Zustand außerhalb der Stromlinie, erhöht den Luftwiderstand und führt zu einer verringerten Betriebseffizienz.
Das Fliegen eines Flugzeugs, das aus dem Gleichgewicht geraten ist, kann zu erhöhter Ermüdung des Piloten führen, was offensichtliche Auswirkungen auf die Sicherheit und Effizienz des Fluges hat. Die natürliche Korrektur des Piloten für ein Längsungleichgewicht ist eine Änderung der Trimmung, um den übermäßigen Steuerdruck zu entfernen. Eine übermäßige Trimmung hat jedoch den Effekt, dass nicht nur die aerodynamische Effizienz, sondern auch die primäre Steuerwegstrecke in der Richtung, in der die Trimmung angewendet wird, reduziert wird.
Auswirkungen des negativen Gleichgewichts
Ungünstige Gleichgewichtszustände beeinflussen die Flugeigenschaften in ähnlicher Weise wie diejenigen, die für einen Übergewichtszustand erwähnt wurden. Es ist von entscheidender Bedeutung, die für alle Flugzeuge festgelegten Gewichts- und Gleichgewichtsgrenzen einzuhalten. Der Betrieb über der maximalen Gewichtsbegrenzung beeinträchtigt die strukturelle Integrität des Flugzeugs und kann die Leistung nachteilig beeinflussen. Stabilität und Kontrolle werden auch durch eine falsche Balance beeinträchtigt.
Stabilität Die Belastung in einem nasenlastigen Zustand verursacht Probleme beim Steuern und Anheben der Nase, insbesondere während des Starts und der Landung. Das Beladen in einem hecklastigen Zustand hat eine ernsthafte Auswirkung auf die Längsstabilität und verringert die Fähigkeit, sich von Strömungsabrissen und Trudeln zu erholen. Eine schwere Last am Heck erzeugt auch sehr geringe Steuerkräfte, eine weitere unerwünschte Eigenschaft. Dies macht es dem Piloten leicht, ein Flugzeug versehentlich zu überlasten.
Stabilitäts- und Schwerpunktgrenzen für den Standort des Schwerpunkts werden vom Hersteller festgelegt. Dies sind die vorderen und hinteren Grenzen, jenseits derer der Schwerpunkt nicht für den Flug positioniert werden sollte. Diese Grenzwerte werden für jedes Flugzeug im Type Certificate Data Sheet (TCDS) oder in der Flugzeugspezifikation und im AFM oder Pilot's Operating Handbook (POH) veröffentlicht. Wenn der Schwerpunkt nach dem Beladen nicht innerhalb der zulässigen Grenzen liegt, müssen einige Gegenstände vor dem Flugversuch verschoben werden.
Die Vorwärts-CG-Grenze wird häufig an einem Ort festgelegt, der durch die Landeeigenschaften eines Flugzeugs bestimmt wird. Während der Landung, einer der kritischsten Flugphasen, kann das Überschreiten der vorderen CG-Grenze zu übermäßigen Belastungen des Bugrads, einer Tendenz zum Überschlagen bei Flugzeugen mit Spornrad, verringerter Leistung, höheren Abwürggeschwindigkeiten und höheren Steuerkräften führen.
Steuerung In extremen Fällen kann eine CG-Position, die über der vorderen Grenze liegt, zu einer Schwere der Nase führen, wodurch es schwierig oder unmöglich wird, für die Landung abzufangen. Die Hersteller platzieren die vordere CG-Grenze absichtlich so weit hinten wie möglich, um den Piloten dabei zu helfen, Schäden bei der Landung zu vermeiden. Zusätzlich zu einer verringerten statischen und dynamischen Längsstabilität können andere unerwünschte Wirkungen, die durch eine CG-Position hinter der zulässigen Reichweite verursacht werden, extreme Steuerschwierigkeiten, heftige Strömungsabrisseigenschaften und sehr geringe Steuerkräfte umfassen, die es leicht machen, ein Flugzeug versehentlich zu überlasten.
Eine eingeschränkte Vorwärts-CG-Grenze ist ebenfalls festgelegt, um sicherzustellen, dass bei minimaler Fluggeschwindigkeit eine ausreichende Höhenruder- / Steuerauslenkung verfügbar ist. Wenn strukturelle Einschränkungen die vordere Schwerpunktposition nicht einschränken, befindet sie sich an der Position, an der ein vollständiger Höhenruder- / Steuerausschlag erforderlich ist, um einen hohen AOA für die Landung zu erhalten.
Die hintere CG-Grenze ist die hinterste Position, an der sich der CG für das kritischste Manöver oder den kritischsten Betrieb befinden kann. Wenn sich der Schwerpunkt nach hinten bewegt, tritt ein weniger stabiler Zustand auf, der die Fähigkeit des Flugzeugs verringert, sich nach dem Manövrieren oder Turbulenzen selbst aufzurichten.
Bei einigen Flugzeugen können sowohl vordere als auch hintere CG-Grenzwerte festgelegt werden, um sich bei Änderungen des Bruttogewichts zu ändern. Sie können auch für bestimmte Operationen geändert werden, wie z. B. Kunstflug, Einfahren des Fahrwerks oder der Einbau von speziellen Lasten und Vorrichtungen, die die Flugeigenschaften verändern.
Die tatsächliche Position des Schwerpunkts kann durch viele variable Faktoren geändert werden und wird normalerweise vom Piloten gesteuert. Die Platzierung von Gepäck und Frachtstücken bestimmt den CG-Standort. Auch die Zuordnung von Sitzplätzen zu Passagieren kann als Mittel zur Erzielung einer günstigen Bilanz genutzt werden. Wenn ein Flugzeug hecklastig ist, ist es nur logisch, schwere Passagiere auf vorderen Sitzen zu platzieren. Die Kraftstoffverbrennung kann auch den Schwerpunkt basierend auf der Position der Kraftstofftanks beeinflussen. Zum Beispiel tragen die meisten kleinen Flugzeuge Treibstoff in den Flügeln sehr nahe am Schwerpunkt, und das Abbrennen von Treibstoff hat wenig Einfluss auf den geladenen Schwerpunkt.
