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飞机构造基础第2章载重与平衡


地板载重限制 – 由制造商提供的地板每平方英寸或者英尺可 以承受的最大重量。 燃油载荷 – 是飞机载荷的可消耗部分。它只包含可用的燃油, 不包含那些用于填充管子或者残余在油箱排油器中的燃油。 许可的空重 – 由机身,发动机,不可用燃油,和不可排放的 润滑油加上装备列表中指定的可选和标准装备组成的空重。一 些制造商使用这个术语优先于GAMA标准化。 最大着陆重量 – 正常的飞机允许降落时的最大重量。 最大停机坪重量– 满载荷飞机的总重量,包括所有燃油。它比 起飞重量大,因为在飞机滑行和滑跑时要燃烧燃油。最大停机 坪重量也可以指最大滑行重量。【飞机停放在停机坪的时候允 许的最大重量,在滑行到起飞之间,会燃烧部分燃油,知道低 于最大起飞重量,所以最大停机坪重量大于最大起飞重量,由 于滑行中使用的燃油一般不多,所以也会用最大滑行重量来称 呼,即地面机动时允许的最大重量。】
任何飞机遵守重量和平衡限制都对飞行 安全至关重要。一架超出它的最大重量 限制的运行会危及飞机结构整体的安全, 对飞机的性能产生有害的影响。重心在 允许的限制范围之外时运行的飞机会引 起控制困难。
重量控制 重量是一种力,重力就是通过利用它把一个问题向地球的 中心吸引。它是物体的质量和作用在物体上的加速作用共 同的结果。重量是飞机建造和运行中的一个主要因素,也 和所有飞行员的需要有关。 重力一直有把飞机向地球拉的倾向。升力是唯一的抵消重 力和维持飞机飞行的力。然而,机翼产生的升力大小是受 机翼设计,迎角,空速和空气密度限制的。因此,为确保 产生的升力足以抵消重力,必须避免飞机的载荷超出制造 商的建议重量。如果重量比产生的升力大,飞机可能不能 飞行。
平衡,稳定性和重心 平衡是指飞机的重心(CG)位置,对飞行中的飞机稳定性 和安全非常重要。重心是一个点,如果飞机被挂在这个 点上,那么飞机会在这点获得平衡。 飞机配平的主要考虑是重心沿纵轴的前后位置。重心不 一定是一个固定点;它的位置取决于重量在飞机上的分 布。随着很多装载物件被移动或者被消耗,重心的位置 就有一个合成的偏移。飞行员应该认识到如果飞机的重 心沿纵轴太靠前,就会产生头重现象;相反的,如果重 心沿纵轴太靠后,就会产生后重现象。不适当的重心位 置可能导致一种飞行员不能控制飞机的不稳定状态。
重心 – 是这样一个点,如果飞机可能挂在这个点上,那么飞 机会获得平衡。它是飞机的质量中心,或者是假设飞机的所 有质量都集中的一个理论上的点。可以用距离基准参考线距 离来表示,或者平均空气动力弦(MAC)的百分比表示。 重心限制 – 指定的前后两点,在飞行时飞机的重心必须位于 这个范围内。这些限制在飞机的有关规格文件中指出。 重心范围 – 重心前后限制点之间的距离,在飞机的相关规格 文件中指出。 基准线(参考线) – 是一个假象的竖直平面或者直线,所有力 臂的测量都是从这里开始。基准线是由制造商确立的。一旦 选定了基准线,所有力臂和重心位置的范围都从这点开始测 量。 Δ (Delta) – 是一个用Δ表示的希腊字母,用来表示一个数 值的变化。例如,ΔCG表示CG的一个变化(或运动)。
基准面 力臂 重心 最大重量 最大着陆重量 最大停机重量 最大起飞重量 空重 空重重心 空重重心范围 实用重心范围 平均空气动力弦 飞机的水平顶置 燃油装载 最小燃油量 无燃油重量 毛重 有用载重
重量和平衡的问题时用到的术语。下列术语的列表和它们 的定义是良好的标准化了,这些术语的知识将会帮助飞行 员更好的理解任何飞机的重量和平衡计算。作为产业标准 的通用航空制造商协会(General Aviation Manufacturers Association)定义的术语在名称后以GAMA标记。 臂(运动臂) – 是以英寸为单位的从基准参考线到一个物体重 心的距离。如果在参考线之后测量,那么代数符号为正(+), 如果在参考线之前测量,那么代数符号为负(-)。 基本空重(GAMA) – 包括标准空重加上已经安装的可选和特 殊装备。
重量的影响 只要考虑性能,在飞机上增加飞机总重的任何东西都是不希望 的。制造商努力的做到让飞机尽可能的轻而不牺牲强度和安全 性能。 一架飞机的飞行员应该永远知道超载的严重性。一架超载的飞 机可能不能离开地面,或者如果它确实升空了,它可能表现出 意料不到和不寻常的拙劣飞行特性。如果一架飞机没有被正确 的配载,拙劣性能的最初表现通常发生在起飞阶段。 过大的重量几乎在每个方面都降低了飞机的飞行性能。
重量的变化
飞机的重量可以通过变更燃油装载量来改变。汽 油有相当的重量,每加仑6磅重量,30加仑可能比 一位乘客还重。但是必须记住如果重量是通过减 少燃油来降低的,那么飞机的航程也被减少了。 飞行期间,通常燃油燃烧是飞机重量变化的唯一 原因。随着燃油被消耗,飞机变得越来越轻,性 能也得到改善。 固定装置的变化对飞机的重量有重要的影响。一 架飞机可能由于安装额外的无线电和仪表而超载。 修理和修正也可能影响飞机的重量。
有效载荷(GAMA) – 乘客,货物和行李的重量。 标准空重(GAMA) – 包含机身,发动机,和所有固定位 置的运行装备且永远安装在飞机上的物件;包括固定 的压舱物,液压流体,不可用燃油,和全部的发动机 润滑油。 标准重量 – 为很多涉及重量和平衡计算的物件而确定。 如果真实重量可用的话,就不应该使用这些重量。一 些标准重量有:
最大起飞重量 – 起飞时允许的最大重量 最大重量 – 飞机和它的所有装备的最大审定重量,这些装备 在这架飞机的类型认证数据表(Type Certificate Data Sheets TCDS)中指定。 最大零燃油重量(GAMA)– 不包括可用燃油时的最大重量。 平均空气动力弦(MAC) – 从机翼前缘到后缘的平均距离。 力矩 – 一个物体重量和它的力臂之乘积。力矩用磅-英寸表 示。总力矩是飞机重量乘以从基准线到重心之间的距离。 力矩指数(或指数) – 力矩除以一个常量后的值,例如除以100, 1000,10000。使用力矩指数的目的是为了简化飞机的重量 和平衡计算,因为重的物体和长力臂的结果是很大的难以管 理的数字。【除以指数之后可以使数字变小,但是计算还是 等效的】
重心的前面限制通常确定在一个位置,这个位置是根据飞机的着陆 特性得到的。着陆期间,这是飞行的最关键阶段之一,超出前面的 重心限制可能导致前轮的过载;在后三点式起落架飞机上发生机头 越过;性能降低;较高的失速速度;以及增加控制力。在极端情况 下,重心位于前向限制的前面会导致机头沉重到在着陆时非常困难 或者不可能拉平的这种程度。制造商故意的把前向重心限制尽可能 的朝后放,以帮助飞行员避免着陆时损坏飞机。除了静态和动态纵 向稳定性降低,重心位于允许限制范围之后可能导致的其他不期望 影响包括控制极其困难,激烈的失速特性,非常轻的操纵杆力,这 会使飞行员很容易无意间对飞机施加过大应力控制。 也指定了一个受限制的前向重心极限以确保在最低空速时升降舵有 足够的偏转量。当结构性限制或者大的操纵杆力不能限制前向重心 位置时,这时就要求完全升起升降舵来获得一个着陆需要的大迎角。 后面的重心限制是一个最靠后的位置,在这个位置是最严重的机动 或者操作可以执行的极限。随着重心向后移动,就会发生稳定性降 低,它降低了飞机在机动或者紊流之后自我纠正的能力。
超载飞机的最重要性能缺陷是: 较高的起飞速度 更长的起飞滑跑 减小了爬升率和爬升角 降低了最大飞行高度 航程缩短 减小了巡航速度 降低了机动性能 较者尾轮过重
飞行员必须深入理解重量对自己所飞的特定飞机的性 能的影响。飞行前规划应该包含性能表的检查,以确 定飞机的重量是否会促成危险的飞行运行。过大的重 量本身就降低了飞行员可用的安全余度,当其它降低 性能的因素和超载结合时甚至变的更加危险。飞行员 也必须考虑发生紧急情况时飞机超载的严重性。如果 起飞时一个发动机失效,或者在低高度的时候机身结 冰,通常这时降低飞机重量来保持飞机在空中就迟了。
一些飞机的重心限制,不管是前面限制还是后面限制, 可能会随着飞机总重的不同而变化。它们也可能由于特 定的操作而变化,例如特技飞行,起落架收起,或者改 变飞行特性的特殊装载和设备的安装。 重心的实际位置会因为很多变化因素而改变,通常是由 飞行员来控制的。行李和货物的放置会决定重心位置。 乘客的座位分配也可以作为一个获得良好平衡的方法。 如果飞机是尾部偏重的,唯一合理的就是把体重大的乘 客向前面的座位调。而且,燃油燃烧也会影响基于油箱 位置的重心。
不利平衡的影响
不利的平衡状态对飞机飞行特性的影响非常类似于过重状态下提 到的方式。此外,有两个主要的飞机特性可能被不当平衡严重的 影响;这些是稳定性和控制。头重状态下的载荷会导致控制和抬 升机头时的问题,特别在起飞和着陆时。尾重状态下的载荷对纵 向稳定性有最严重的影响,会降低飞机从失速和螺旋中恢复的能 力。从尾重载荷产生的另一个不期望的特性是它导致非常轻的控 制力。这会使飞行员很容易的无意间使飞机承受过大应力。 飞机重心位置的限制是由制造商确立的。这些是重心不能超出的 前后位置,否则就不能飞行。这些限制公布在每架飞机的类型证 书数据表,或者飞机规格和飞机飞行手册,或者飞行员操作手册。 如果装载后,重心没有位于允许限制内,在要起飞前重新布置飞 机内某些物件的位置是必要的。
重心相对横轴的参考位置也很重要。对存在于机身中心线左侧 的每一物件的重量,有相等的重量存在于右侧的对应位置。然 而,这可能由于横向的不平衡载荷而弄翻。重心的横向位置是 不计算的,但是飞行员必须知道横向不平衡条件肯定会导致不 利影响的发生。如果从飞机一侧的油箱不均衡的向发动机供应 燃油,由此燃油载荷管理不善,就会发生横向不平衡。飞行员 可以通过调整副翼配平片或者在副翼上保持持续的控制压力来 抵消发生的机翼变重状态。然而,这把飞机控制置于非流线型 的状态,增加了阻力,进而降低了运行效率。由于横向平衡相 对容易控制,而纵向平衡更为关键,平衡主要指重心的纵向位 置。 在任何时候,驾驶一架不平衡状态的飞机会导致飞行员疲劳增 加,明显的影响飞行安全和效率。飞行员对纵向不平衡的正常 纠正就是改变配平来消除过大的控制压力。然而,过量的配平 从效果上不仅降低了气动效率,还减少了配平所在方向上的基 本控制的行程距离。
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