Hubschrauber: Gewicht und Balance

Es ist wichtig, die für Hubschrauber festgelegten Gewichts- und Gleichgewichtsgrenzen einzuhalten. Der Betrieb über der maximalen Gewichtsgrenze beeinträchtigt die strukturelle Integrität des Hubschraubers und beeinträchtigt die Leistung. Das Gleichgewicht ist auch kritisch, da bei einigen voll beladenen Hubschraubern Abweichungen des Schwerpunkts (CG) von nur drei Zoll die Fahreigenschaften eines Hubschraubers dramatisch verändern können. Der Betrieb eines Helikopters außerhalb der Gewichts- und Balancebeschränkungen ist unsicher.

Gewicht

Berücksichtigen Sie bei der Bestimmung, ob ein Hubschrauber innerhalb der Gewichtsgrenzen liegt, das Gewicht des Basishubschraubers, der Besatzung, der Passagiere, der Fracht und des Treibstoffs. Obwohl das effektive Gewicht (Beladungsfaktor) während des Manövrierfluges variiert, behandelt dieses Kapitel hauptsächlich das Gewicht des beladenen Hubschraubers im Ruhezustand. 

Es ist wichtig zu verstehen, dass sich das maximal zulässige Gewicht während des Fluges ändern kann. Wenn der Betrieb Schwebeflüge außerhalb des Bodeneffekts (OGE) und beengte Bereiche umfasst, muss eine Planung durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass der Hubschrauber in der Lage ist, das Gewicht während aller Flugphasen zu heben. Das Gewicht kann in den frühen Morgenstunden akzeptabel sein, aber wenn die Dichtehöhe im Laufe des Tages zunimmt, muss das maximal zulässige Gewicht möglicherweise reduziert werden, um den Hubschrauber innerhalb seiner Leistungsfähigkeit zu halten.

Bei der Berechnung des Helikoptergewichts werden folgende Begriffe verwendet:

• Grundleergewicht 

• Maximales Bruttogewicht 

• Gewichtsbeschränkungen

Grundlegendes Leergewicht

Ausgangspunkt für Gewichtsberechnungen ist das Grundleergewicht. Dies ist das Gewicht des Standardhubschraubers, der optionalen Ausrüstung, des nicht verwendbaren Kraftstoffs und aller Betriebsflüssigkeiten, einschließlich Motor- und Getriebeöl sowie Hydraulikflüssigkeit für die damit ausgestatteten Flugzeuge. Einige Hubschrauber verwenden möglicherweise den Begriff „zugelassenes Leergewicht“, das fast dasselbe ist wie das grundlegende Leergewicht, außer dass es kein volles Motor- und Getriebeöl enthält, sondern nur nicht entwässerbares Öl. Wenn Sie einen Hubschrauber fliegen, der ein zugelassenes Leergewicht auflistet, fügen Sie unbedingt das Gewicht des Öls zu den Berechnungen hinzu.

Maximales Bruttogewicht

Das maximale Gewicht des Hubschraubers bezieht sich auf sein maximales Bruttogewicht. Die meisten Hubschrauber haben ein internes maximales Bruttogewicht, das sich auf das Gewicht innerhalb der Hubschrauberstruktur bezieht, und ein externes maximales Bruttogewicht, das sich auf das Gewicht des Hubschraubers mit einer externen Last bezieht. Das externe Maximalgewicht kann je nach Anbringungsort am Helikopter variieren. Einige große Frachthubschrauber können mehrere Befestigungspunkte für Schlingenlast- oder Windenoperationen haben. Diese Hubschrauber können ein enormes Gewicht tragen, wenn sich der Befestigungspunkt direkt unter dem Schwerpunkt des Flugzeugs befindet.

Gewichtsbeschränkungen

Gewichtsgrenzen sind notwendig, um die strukturelle Integrität des Hubschraubers zu gewährleisten, Piloten zu ermöglichen, die Leistung des Hubschraubers vorherzusagen und die Steuerbarkeit des Flugzeugs sicherzustellen. Obwohl Flugzeughersteller Sicherheitsfaktoren einbauen, sollte ein Pilot niemals absichtlich die Belastungsgrenzen überschreiten, für die ein Hubschrauber zugelassen ist.

Der Betrieb unter einem Mindestgewicht könnte die Fahreigenschaften des Hubschraubers beeinträchtigen. Während des Einzelpilotenbetriebs in einigen Hubschraubern muss ein Pilot eine große Menge Vorwärtszyklen verwenden, um einen Schwebeflug aufrechtzuerhalten. Durch Hinzufügen von Ballast zum Helikopter kann die neutrale zyklische Position in Richtung der Mitte ihres Bereichs verschoben werden, wodurch ein größerer Steuerbereich von neutral in jede Richtung nach außen gegeben wird. Beim Betrieb mit oder unter dem Mindestgewicht des Hubschraubers verbessert zusätzliches Gewicht auch die Autorotationseigenschaften, da der Autorotationsabstieg früher hergestellt werden kann. Außerdem könnte ein Betrieb unter dem Mindestgewicht verhindern, dass die erwünschten Rotorumdrehungen pro Minute (U/min) während Autorotationen erreicht werden.

Der Betrieb über einem maximalen Gewicht kann zu einer strukturellen Verformung oder einem Versagen während des Fluges führen, wenn übermäßige Belastungsfaktoren, starke Windböen oder Turbulenzen auftreten. Gewichts- und Manövrierbeschränkungen sind ebenfalls Faktoren bei der Festlegung der Ermüdungslebensdauer von Komponenten. Übergewichtig, also überbeansprucht, fallen Teile früher als erwartet aus. Daher ist ein vorzeitiger Ausfall ein wichtiger Gesichtspunkt bei der Bestimmung der Ermüdungslebensdauer und der Lebenszyklen von Teilen. 

Obwohl ein Hubschrauber für ein bestimmtes maximales Bruttogewicht zugelassen ist, ist es unter bestimmten Bedingungen nicht sicher, mit dieser Last zu starten. Alles, was die Start-, Steig-, Schwebe- und Landeleistung beeinträchtigt, kann das Entladen von Kraftstoff, Passagieren oder Gepäck auf ein Gewicht erfordern, das unter dem veröffentlichten Maximum liegt. Zu den Faktoren, die die Leistung beeinträchtigen können, gehören große Höhe, hohe Temperatur und Bedingungen mit hoher Luftfeuchtigkeit, die zu einer Höhe mit hoher Dichte führen. Beim Betrieb unter diesen Bedingungen ist eine gründliche Leistungsplanung von entscheidender Bedeutung.

Gleichgewicht 

Die Hubschrauberleistung wird nicht nur vom Bruttogewicht beeinflusst, sondern auch von der Position dieses Gewichts. Es ist wichtig, das Flugzeug innerhalb des zulässigen Schwerpunktbereichs zu beladen, der in den Gewichts- und Gleichgewichtsbeschränkungen des Drehflügler-Flughandbuchs (RFM) angegeben ist. Eine Belastung außerhalb der zulässigen Grenzen kann zu einem unzureichenden Steuerweg für einen sicheren Betrieb führen.

Schwerpunkt

Der Pilot sollte sicherstellen, dass der Hubschrauber richtig ausbalanciert ist und sich innerhalb seiner Schwerpunktgrenzen befindet, so dass während des Schwebeflugs nur minimale zyklische Eingaben erforderlich sind, mit Ausnahme von Windkorrekturen. Da der Rumpf wie ein am Rotor aufgehängtes Pendel wirkt, ändert eine Änderung des Schwerpunkts den Winkel, in dem das Flugzeug am Rotor hängt. Wenn sich der Schwerpunkt direkt unter dem Rotormast befindet, hängt der Hubschrauber horizontal; Befindet sich der Schwerpunkt zu weit vor dem Mast, hängt der Helikopter mit nach unten geneigter Nase; Wenn der Schwerpunkt zu weit hinter dem Mast liegt, kippt die Nase nach oben.

CG Forward of Forward Limit 

Ein Vorwärts-Schwerpunkt kann auftreten, wenn ein schwerer Pilot und ein Passagier ohne Gepäck oder richtigen Ballast hinter dem Rotormast abheben. Diese Situation verschlimmert sich, wenn sich die Kraftstofftanks hinter dem Rotormast befinden, da sich der Schwerpunkt beim Verbrennen des Kraftstoffs weiter nach vorne verschiebt.

Dieser Zustand ist leicht zu erkennen, wenn man nach einem Senkrechtstart in den Schwebeflug kommt. Der Helikopter hat eine niedrige Fluglage, und eine übermäßige Rückwärtsverschiebung der zyklischen Steuerung ist erforderlich, um einen Schwebeflug in einem windstillen Zustand aufrechtzuerhalten. Setzen Sie den Flug in diesem Zustand nicht fort, da ein Pilot schnell die zyklische Rückwärtskontrolle verlieren könnte, wenn Treibstoff verbraucht wird. Ein Pilot kann es auch unmöglich finden, ausreichend abzubremsen, um den Helikopter zum Stillstand zu bringen. Im Falle eines Triebwerksausfalls und der daraus resultierenden Autorotation ist möglicherweise nicht genügend zyklische Steuerung vorhanden, um für die Landung ordnungsgemäß abzufackeln.

Ein vorderer Schwerpunkt ist beim Schweben in starkem Wind nicht so offensichtlich, da eine geringere zyklische Verschiebung nach hinten erforderlich ist als beim Schweben ohne Wind. Bei der Feststellung, ob ein kritischer Gleichgewichtszustand vorliegt, ist es wesentlich, die Windgeschwindigkeit und ihr Verhältnis zur Rückwärtsverschiebung der zyklischen Steuerung zu berücksichtigen.

CG hinter der hinteren Grenze

Ohne angemessenen Ballast im Cockpit kann es zu einer Überschreitung des hinteren Schwerpunkts kommen, wenn:

• Ein leichter Pilot hebt alleine mit einer vollen Ladung Treibstoff ab, die sich hinter dem Rotormast befindet.
• 
  
• Ein leichter Pilot hebt mit maximal erlaubtem Gepäck in einem Gepäckraum ab, der sich hinter dem Rotormast befindet.
• 
  
• Ein leichter Pilot hebt mit einer Kombination aus Gepäck und beträchtlichem Treibstoff ab, wo sich beide hinter dem Rotormast befinden.

Ein Pilot kann den hinteren CG-Zustand erkennen, wenn er nach einem vertikalen Start in einen Schwebeflug kommt. Der Helikopter hat eine niedrige Hecklage und benötigt eine übermäßige Vorwärtsverschiebung der zyklischen Steuerung, um einen Schwebeflug bei Windstille aufrechtzuerhalten. Wenn Sie gegen den Wind ausgerichtet sind, ist ein noch größerer Vorwärtszyklus erforderlich.

Wenn der Flug in diesem Zustand fortgesetzt wird, kann es unmöglich sein, im oberen zulässigen Fluggeschwindigkeitsbereich zu fliegen, da die zyklische Vorwärtsautorität nicht ausreicht, um eine niedrige Fluglage beizubehalten. Darüber hinaus könnte bei einem extremen Schwerpunkt nach hinten der Helikopter in böiger oder rauer Luft auf eine Geschwindigkeit beschleunigt werden, die schneller ist als die, die bei vollständiger zyklischer Vorwärtssteuerung erzeugt wird. In diesem Fall könnte eine Asymmetrie von Auftrieb und Blattschlag dazu führen, dass die Rotorscheibe nach achtern kippt. Wenn die zyklische Vorwärtssteuerung bereits vollständig angewendet wird, ist ein Pilot möglicherweise nicht in der Lage, die Rotorscheibe abzusenken, was zu einem möglichen Kontrollverlust oder zum Auftreffen der Rotorblätter auf den Heckausleger führen kann. 

Seitliches Gleichgewicht

Bei kleineren Helikoptern ist die Bestimmung des seitlichen Schwerpunkts für normale Flugschul- und Passagierflüge in der Regel nicht erforderlich. Dies liegt daran, dass Hubschrauberkabinen relativ schmal sind und die meisten optionalen Ausrüstungen sich in der Nähe der Mittellinie befinden. Einige Hubschrauberhandbücher geben jedoch den Sitz an, von dem aus ein Pilot einen Alleinflug durchführen muss. Wenn es eine ungewöhnliche Situation gibt, die den seitlichen Schwerpunkt beeinflussen könnte, wie z. B. ein schwerer Pilot und eine volle Ladung Treibstoff auf einer Seite des Hubschraubers, sollte seine Position mit der Schwerpunkthüllkurve verglichen werden. Wenn externe Lasten in einer Position getragen werden, die eine große seitliche zyklische Steuerverschiebung erfordert, um einen Horizontalflug aufrechtzuerhalten, könnte die zyklische Wirksamkeit nach vorne und hinten dramatisch eingeschränkt werden. Hersteller berücksichtigen im Allgemeinen bekannte laterale CG-Verschiebungen, indem sie externe Befestigungspunkte gegenüber dem lateralen Ungleichgewicht anordnen. Beispiele sind die Platzierung von seitlich angebrachten Hebesystemen und Flügelspeichern, die üblicherweise in Militärflugzeugen für externe Treibstoffbehälter oder Rüstungssysteme verwendet werden. 

Gewichts- und Gleichgewichtsberechnungen

Bei der Feststellung, ob ein Helikopter ordnungsgemäß beladen ist, müssen zwei Fragen beantwortet werden:

• Ist das Bruttogewicht kleiner oder gleich dem höchstzulässigen Bruttogewicht?
• 
  
• Liegt der Schwerpunkt innerhalb des zulässigen Schwerpunktbereichs und bleibt er während der gesamten Flugdauer innerhalb des zulässigen Bereichs, einschließlich aller möglichen Belastungskonfigurationen?

Um die erste Frage zu beantworten, addieren Sie einfach das Gewicht der Gegenstände, aus denen die Nutzlast besteht (Pilot, Passagiere, Treibstoff, Öl [falls zutreffend], Fracht und Gepäck), zum Grundleergewicht des Hubschraubers. Stellen Sie sicher, dass das Gesamtgewicht das maximal zulässige Bruttogewicht nicht überschreitet.

Um die zweite Frage zu beantworten, verwenden Sie CG- oder Momentinformationen aus Ladediagrammen, Tabellen oder Grafiken im RFM. Es ist wichtig zu beachten, dass jede Gewichts- und Gleichgewichtsberechnung nur so genau ist wie die bereitgestellten Informationen. Fragen Sie daher die Passagiere nach ihrem Gewicht und addieren Sie ein paar Kilo hinzu, um das zusätzliche Gewicht der Kleidung zu berücksichtigen, insbesondere in den Wintermonaten. Gepäck sollte nach Möglichkeit auf einer Waage gewogen werden. Wenn keine Skala verfügbar ist, berechnen Sie die persönlichen Belastungswerte nach jeder individuellen Schätzung. Abbildung zeigt die Standardgewichte für bestimmte Betriebsflüssigkeiten. Diese Werte werden bei der Berechnung der Balance eines Helikopters verwendet.

Referenzdatum

Das Gleichgewicht wird durch die Position des Schwerpunkts bestimmt, die normalerweise als eine bestimmte Anzahl von Zoll vom Bezugspunkt beschrieben wird. Das horizontale Referenzdatum ist eine imaginäre vertikale Ebene oder ein Punkt, der willkürlich irgendwo entlang der Längsachse des Hubschraubers festgelegt ist und von dem aus alle horizontalen Abstände für Gewichts- und Gleichgewichtszwecke gemessen werden. Es gibt keine feste Regel für seinen Standort. Es kann sich am Rotormast, an der Nase des Helikopters oder sogar an einem Punkt im Raum vor dem Helikopter befinden.

Das seitliche Referenzdatum befindet sich normalerweise in der Mitte des Hubschraubers. Die Lage des Bezugspunktes wird vom Hersteller festgelegt und ist im RFM definiert.