飞机构造基础第2章载重与平衡(教学PPT)

飞机构造学主讲教师:ZHANG,1,第2章载重与平衡,2,2.1重量与平衡的重要性,3,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。对民航来说，飞机载重平衡是地面商务保障的关键环节，直接影响到飞行安全。荷兰国家航空航天研究（NLR）近期对19702005年全球和飞机载重平衡有关的不安全事件进行了研究，发现35年里共有82起有完整记录的飞行事故和载重平衡有关，世界范围内和载重平衡有关的事故率仍呈缓慢上升的趋势，而这35年间全球飞行事故率已降低了近50%。,4,调整飞机载重与平衡的目的：安全在飞行中达到最高效率飞机载重与平衡问题分为：1超过最大载重2前部载重太大3后部载重太大他们对飞机分别会产生哪些情况呢？见书36页,5,飞机重复称重的重要性飞机在一定时间内的增重程度取决于飞机的使用、飞行时间、环境状况以及起落场地的类型,6,重量与平衡术语：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,7,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(GeneralAviationManufacturersAssociation)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。,8,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。（Delta）是一个用表示的希腊字母，用来表示一个数值的变化。例如，CG表示CG的一个变化(或运动)。,9,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。】,10,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(TypeCertificateDataSheets-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】,11,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：汽油.6磅/美制加仑润滑油.7.5磅/美制加仑水.8.35磅/美制加仑,12,测站是飞机上的一个位置，以英寸为单位用一个数字指定它到基准线的距离。因此，基准线被指定为测站0。位于测站+50的一个物体将有50英寸的力臂。有用载荷飞行员，副驾驶，乘客，行李，可用燃油，可排泄润滑油的重量。它是基本空重减去最大允许总重。这个术语只适用于通用航空飞机。标准平均翼弦(SMC)在所有翼弦中,长度等于机翼面积与翼展之比的翼弦称为标准平均翼弦,用SMC表示.,13,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。,14,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。,15,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。,16,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高的失速速度较高的进近和着陆速度较长的着陆滑跑前轮或者尾轮过重,17,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。,18,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。,19,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。,20,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。,21,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。,22,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。,23,一些飞机的重心限制，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。,24,重量管理和平衡控制重量和平衡控制应该是所有飞行员都要考虑的事情。飞行员要对特定飞机的载重和燃油(这两个变化因素都会改变总重和重心位置)管理有所掌控。飞机所有者或者运营者应该确保飞行员可以获得需要使用的飞机内的最新信息，也应该保证在完成维修或者替换之后在飞机记录中有争取的记录。重量变化必须被记录，在重量和平衡记录中要有正确的符号。如果适合的话，装备列表必须及时更新。如果没有这些信息，飞行员就没有必要的计算和决定所以来的基础。,25,在任何飞行之前，飞行员应该确定飞机的重量和平衡状态。飞机制造商已经设计出基于声音原理的简单而有序的程序，用于判断载荷状态。飞行员必须使用这些程序和练习良好的判断。在很多现代飞机上，基本不可能装满行李舱，座位和燃油箱，仍然位于核准的重量和平衡限制范围内。如果承载了最大乘客载荷，通常飞行必须降低燃油载荷或者降低行李的重量。,26,通过计算飞机空重和增加每一个装载在飞机上的重量，就可以计算总重量。这是很简单的，但是为以这样一种方式来分布这些重量，即装载的飞机的总体质量在重心处平衡，它必须位于指定的限制范围内，特别是在没有理解重量和平衡的基本原理时，就会发生很严重的问题。飞机获得平衡的那个点可以通过定位重心来计算，正如术语的定义中规定的一样，重心是一个假象所有的重量都集中在一起的点。为在纵向稳定性和升降舵控制之间提供必要的平衡，重心通常稍微位于升力中心的前面。这种载荷状态导致飞行时机头有向下的趋势，这正是在以大迎角和低速飞行时所期望的。,重量和平衡计算的基本原理,27,平衡点(重心)必定下降的安全区域称为重心范围。范围的端点称为前向重心限制和后向重心限制。这些限制通常以英寸为单位指定，沿飞机纵轴从基准线开始测量。基准线是飞机设计者确立的任意一点，不同的飞机它的位置会变化。,前极限,后极限,28,从基准线到飞机的任何组成部件或者装载在飞机上的任何物体的距离称为力臂。当物体或者部件位于基准线之后时，力臂为正，单位为英寸；如果位于基准线前面，则为负值，单位为英寸。物体或部件的位置通常被称为测站(station)。如果任何物体或者部件的重量乘以到基准线的距离，那么乘积就是力矩。力矩是对导致重量绕一个点或者轴旋转的重力力量的一种度量，以磅-英寸表示。,29,假设50磅的重量位于板上距离基准线100英寸的点或者测站上。重量的向下力量可以用50磅乘以100英寸来计算，其乘积为一个5000磅英寸的力矩。如图,30,为了建立一个平衡，必须在板的另一端施加总共为5000磅英寸的力矩。重量和距离的任何组合其乘积为5000磅英寸的力矩就可以平衡这个板。例如，如图所示，如果一个100磅的重量放置于距离基准线25英寸的一点(测站)，另一个50磅的重量放置于距离基准线50英寸的一点(测站)，两个重量和它们距离乘积的总和即总力矩为5000磅英寸，它将可以平衡这个模板。,31,重量和平衡约束应该严格的遵守飞机的重量和平衡约束。特定飞机的载荷状态和空重可能和飞机飞行手册/飞行员操作手册中的不同，因为可能已经发生过设备修理或者替换。飞机飞行手册中的示例载荷问题只用于指南目的；因此，每一架飞机需要具体对待。尽管一架飞机认证了具体的最大总起飞重量，但是以这样的载荷起飞不是在所有情况下都是安全的。影响起飞和爬升性能的条件诸如高海拔高度，高的气温，以及高的湿度(高密度高度)会要求在飞行前降低重量。起飞前需要考虑的其他因素是跑道长度，跑道表面，跑道坡度，地面风向，以及障碍物的存在。这些因素可能需要在飞行前降低重量。一些飞机的设计使得难以把它装载成重心超出范围限制。这些通常是小飞机，它们的坐位，燃油，行李区域位于靠近重心限制的地方。但是，这些飞机可能被装载的超重。其他飞机甚至可以被装载成重心超出限制，甚至在还没有超出有效载荷的条件下。由于失衡和超重状态的影响，飞行员应该总是能够确保一架飞机被正确的装载了。,32,飞机平衡的种类,对于作用于飞机的各个力，如果不是通过飞机的重心，就要对飞机的重心构成力矩，促使飞机转动。引起飞机俯仰转动的力矩叫俯仰力矩，引起飞机偏转的力矩叫偏转力矩，引起飞机滚动的力矩叫滚动力矩。力矩有三种，飞机的平衡也相应有三种，即俯仰平衡、方向平衡、横侧平衡俯仰平衡俯仰平衡是指作用于飞机的上仰力矩和下俯力矩彼此相等，也就是各种俯仰力矩互相平衡。方向平衡方向平衡是指作用于飞机的左偏力矩和右偏力矩彼此相等，使飞机既不向左偏，也不向右偏。横侧平衡横侧平衡是指飞机各滚转力矩彼此相等。飞机的平衡是指三个方向的力矩都平衡，但实际工作中，我们所指的飞机的平衡是指飞机的俯仰平衡。飞机重心也是指飞机机身方向上的重心。,33,计算装载重量和重心有很多的方法来计算一架飞机的装载重量和重心。主要有计算法，和利用飞机制造商提供的图表和表格方法。计算法计算法要涉及到使用基本的数学函数。假设：最大总重3400磅重心范围78-86英寸前座乘客340磅后座乘客350磅燃油75加仑行李区180磅为计算装载重量和重心，要按照以下步骤。第一步列出飞机，乘客，燃油和行李的重量。记住，燃油重量是6磅每加仑。第二步输入列出的每一物体的力矩。记住，重量乘以力臂之乘积为力矩。第三步合计重量和力矩第四步为计算重心，用总力矩除以总重量。备注：一架特定飞机的重量和平衡记录会提供空重和力矩，和力臂距离信息。,34,总装载重量为3320磅，没有超出3400磅的最大总重。重心为84.8，位于78-86英寸的范围内；所以，这架飞机的装载没有超限。,35,图表法计算装载重量和重心的另一个方法是使用制造商提供的图表。为简化计算，有时力矩会除以100，1000或者10000。查表法查表法使用和计算法以及图表法相同的原理，信息和限制包含在制造商提供的表格里。,36,移动，增加和卸除重量,飞行员必须能够准确而快速的解决和重量移动，增加和卸除有关的任何问题。例如，飞行员可能是飞机装载处于允许的起飞重量限制范围内，然后却发现重心已经超出限制。这个问题的最满意解决办法就是移动乘客，行李或者这两者。飞行员应该能够确定使飞机安全飞行的最小载荷偏移量。飞行员应该能够确定移动一个部分载荷到新的位置是否能够纠正超限状态。有一些标准化的计算可以帮助进行这些计算。,37,重量偏移,当重量从一个位置移动到另一个位置，飞机的总重没有改变。然而，相对于重量移动的距离和方向来说整体力矩的关系和比例确实改变了。当重量向前移动时，总力矩降低；当重量向后移动时，总力矩增加。力矩的改变和所移动的重量大小成比例。因为很多飞机有前面的和后面的行李舱，重量就可以从一个移动到另一个来改变重心。如果以飞机重量，重心，总力矩都已知来开始，用新的总力矩除以总飞机重量来计算新的重心(重量移动后)。为计算新的总力矩，要找出在重量移动时多少力矩增加和减少。,38,假设有100磅的重量中测站30移动到测站150。这个移动给飞机的总力矩增加了12000磅英寸。在测站150时的力矩为：100磅X150英寸=15000磅英寸在测站30时的力矩为：100磅X30英寸=3000磅英寸力矩变化量=12000磅英寸在原来力矩上增加力矩变化量就可以获得新的总力矩。然后通过新的总力矩除以总重量来计算新的重心：总力矩=616000+12000=628000重心为62800/8000(总重量)=78.5英寸重量的偏移使重心移动到测站78.5,39,通过使用计算机或者计算器和一个比例公式可以获得一个更加简单的方法。可以这样做的原因是因为重心的偏移距离和重量的移动距离成比例。例子偏移的重量/总重量=CG/重量偏移的距离100/8000=CG/120CG=1.5英寸重心的变化增加到原来的重心就可以计算到新的重心：77+1.5=78.5英寸，在基准线之后。偏移重量的比例公式也可以用于计算必须移动多少重量来获得特定的重心偏移量。下页说明了这种问题的解决方法。,40,例子假设：飞机总重.7800磅重心.测站81.5后向重心极限.80.5要计算必须从测站150的后面货物舱移动多少货物到测站30的前面货物舱才能使用重心正好移动到后向重心极限位置。方法：要移动的重量/总重量=CG/重量移动的距离要移动的重量/7800=1.0/120要移动的重量=65磅,41,重量增加和卸除,在很多情况下，飞机的重量和平衡会由于重量的增加和卸除而改变。当发生这样的情况时，必须计算和检查新的重心相对限制其新的位置是否可以接受。这种重量和平衡问题通常在飞行中飞机消耗燃油时遇到，因此，飞机油箱位置的重量就会降低。大多数小飞机设计成油箱的位置靠近重心；因此燃油的消耗不会对重心有任何严重程度的影响。在飞行前，必须计算货物的增加或者卸除引起的重心改变。问题总可以通过计算相关的总力矩来解决。一个典型的问题可能涉及到计算一架飞机的新的重心位置，在装载且准备飞行，就在离开前又收到一些额外的货物或者乘客。下页举例说明,42,例1假设：飞机总重量6860磅CG位置.80.0如果有140磅行李增加到测站150位置，计算重心方法如下：增加的重量/新的总重量=CG/重量和旧的重心之间距离140/(6860+140)=CG/(150-80)140/7000=CG/70C