Аэродинамические причины эксплуатационных ограничений веса и центровки ВС

Выполнение требований РЛЭ к весу и центровке ВС на всех этапах полёта необходимо для обеспечения безопасности полётов. Эксплуатация ВС с превышением ограничений по взлётному весу приводит к ухудшению его лётно-технических характеристик: увеличению дистанций разбега и пробега, увеличению скорости отрыва, повышению скорости сваливания, сужению диапазона скоростей и высот крейсерского полета, уменьшению градиентов набора и величин скороподъемности, к дополнительной нагрузке на конструкцию ВС и т.д. При взлете с максимальной взлётной массой необходимо учитывать условия, влияющие на характеристики взлёта и набора высоты, такие как: высокая температура и низкое давление на аэродроме взлёта, длина ВПП, ее покрытие и уклон, наличие препятствий, ветер и другие факторы, которые могут потребовать снижения веса ВС перед взлетом.
Нарушение эксплуатационных ограничений, установленных в РЛЭ, приводит к трудностям в управлении, связанным с ухудшением характеристик устойчивости и управляемости. Фактическое положение ц.т. зависит от размещения багажа и грузов внутри ВС и может изменяться при перемещении пассажиров и грузов, при выработке топлива и противообледенительной жидкости (ПОЖ), при выпуске и уборке шасси. Во время полёта может изменяться не только продольная, но и поперечная (неравномерная выработка топлива из баков), и вертикальная центровка. Вертикальная центровка связана с конструктивной схемой ВС (высокопланная или низкопланная) и с особенностями загрузки.

Рис. 6-1

Легкие ВС сконструированы таким образом, что нарушить диапазон центровок при загрузке и выработке топлива достаточно сложно. Сиденья, топливные баки крыльевые или расходные, багажные отсеки расположены вблизи ц.т. ВС. При выработке топлива ц.т. смещается вперед незначительно, выработка ПОЖ влияет сильнее и смещает ц.т. ВС (DA42) назад. Несмотря на это, расчет центровки и соблюдение ЭДЦ является важнейшей обязанностью пилота, так как нарушение балансировки ВС, потеря устойчивости и управляемости ведут к возникновению условий для авиационных происшествий.                                                                                      

Предельно допустимая передняя центровка  задается из обеспечения достаточности запаса перемещения руля высоты вверх при посадке самолёта (на этапе выравнивания). Ошибки пилотирования и сложные условия посадки, такие как боковой ветер, ливневые осадки, обледенение и пр. могут привести к исчерпанию запаса по рулю высоты. Для обеспечения требуемых параметров движения ВС запас по отклонению руля высоты не менее 10 градусов реализуется при центровке ВС близкой к предельно-передней. При передних центровках увеличивается балансировочное отклонение руля высоты вверх и подъемная сила горизонтального оперения имеет большие отрицательные значения, что уменьшает подъемную силу ВС. Для обеспечения требуемой величины подъёмной силы необходимо увеличение режима работы двигателя. При более передних центровках увеличивается расход топлива и лобовое сопротивление ВС. Таким образом чем меньше центровка, тем больше балансировочное отклонение руля высоты вверх; и нарушение ограничений по предельно-передней центровке приводит к исчерпанию запаса по рулю высоты на посадке и увеличению пикирующего момента.

Ограничение предельно-задней центровки обеспечивает необходимый запас продольной статической устойчивости по перегрузке на наиболее сложном этапе полёта - уходе на второй круг (конфигурация посадочная(LDG), режим работы двигателя взлетный) обеспечивает запас продольной статической устойчивости не менее 10% в том числе и при воздействии порыва ветра и ошибках пилотирования. При посадочной конфигурации положение фокуса ВС смещается вперёд - к ц.т. ВС. При увеличении центровки (смещение ц.т. назад) увеличивается момент ВС на кабрирование, усиливается тенденция к сваливанию, а также к увеличению реакции ВС на управляющие действия пилота. Устойчивость самолёта по перегрузке зависит от взаиморасположения ц.т. и фокуса ВС.

Положение фокуса ВС определяется его конфигурацией, перемещение фокуса ВС вперёд уменьшает запас устойчивости. По мере уменьшения запаса устойчивости ВС становится более чувствительным к отклонениям руля высоты, и резкое изменение рычага управления может вывести ВС за пределы установленных ограничений по углу атаки. Пилотирование ВС, имеющего малый запас устойчивости по перегрузке, требует плавного и осторожного отклонения рычага управления. Таким образом, ограничение по предельно-задней центровке установлено из условия обеспечения устойчивости по углу атаки при уходе на 2ой круг.

6.3. Методы расчёта центровки

Расчет центровки проводится с целью распределения груза и пассажиров таким образом, чтобы ц.т.  ВС  находился внутри установленных РЛЭ эксплуатационных пределах. Эти пределы указываются или в процентах САХ (как расстояние от носика САХ, спроецированного на продольную ось ВС, до ц.т.); или для самолётов американского и австрийского производства в линейных размерах от ц.т. до некоторой точки или плоскости, являющейся началом отсчёта. Такая плоскость называется опорной или базовой, и её положение произвольно задаётся изготовителем ЛА при проектировании. Для разных ВС базовая плоскость определяется по-разному: для Cessna-172 она совпадает с противопожарной перегородкой, для DA-40 на расстоянии 2,194м (86,38 дюйма) спереди от крайней передней точки корневой нервюры крыла, для DA-42 на расстоянии 2,196м (86,46 дюйма) впереди от крайней передней точки корневой нервюры крыла. Расстояние от начала отсчёта до любого установленного груза называется плечом. Для того чтобы определить момент от груза, необходимо умножить его вес на плечо.

При определении взлетного веса необходимо рассчитать вес пустого ВС и прибавить вес грузов, загруженных перед полетом. При определении взлетной центровки необходимо знать центровку пустого самолета x_{т пуст} и добавить изменение центровки x_т при загрузке ЛА. Суммарная взлетная центровка (также как и посадочная) не должна выходить за заданные эксплуатационные ограничения. Груз, поставленный впереди ц.т., уменьшает центровку, делая её более передней; груз за ц.т. – увеличивает значение центровки, делая её более задней. Изменение центровки будет определяться отношением суммарных моментов от грузов к суммарному весу загруженного ВС.

Продольная центровка пустого самолета вносится в формуляр; расчет центровки при изменившейся нагрузке может быть выполнен методом моментов. Если первоначальный вес самолёта G, изменение веса самолёта ΔG, первоначальная центровка  и положение центра тяжести нагрузки относительно исходного размещения центра тяжести l, то уравнение моментов относительно нового положения центра тяжести.

Рис. 6-2

   

а изменение центровки в линейных размерах  , или в процентах САХ.

     ;

    Если груз  расположен впереди исходного центра тяжести самолёта, то центровка уменьшается (становится более передней)

   

При снятии нагрузки:

   

    В общем случае изменение центровки в линейных размерах:

В процентах САХ:

Окончательно новую центровку  получаем определив изменение центровки  и зная старую центровку  

В РЛЭ самолётов американского и австрийского производства метод моментов применяют задавая расстояние от грузов и центра тяжести самолёта до характерного конструктивного элемента – базовой плоскости, относительно которой и составляют уравнение моментов.

Для упрощения расчёта центровки и сокращения времени предполётной подготовки в РЛЭ приводятся центровочные таблицы и графики, разработанные на применении метода моментов. В этих таблицах и графиках содержатся все необходимые сведения по расчёту центровки и загрузки самолёта для этапов взлёта и посадки. По этим графикам можно оценить смещение центра тяжести при выработке топлива, ПОЖ, масла. Выпуск шасси (DA-42) смещает центр тяжести обычно вперёд, топливо вперёд, ПОЖ – назад.

Для определения центровки могут применяться расчётный, графический и табличный методы.

При использовании расчётного метода необходимо:

1) Составить список весов пустого самолета, пилотов, пассажиров, багажа, топлива (при расчёте массы топлива необходимо учесть его плотность: для авиационного бензина марок AVGAS 80, 100, 100LL ρ =0,72 кг/ м³; для авиационного дизельного топлива марок JET A, JET1, JET B ρ = 0,83 кг/ м³);

2) Рассчитать момент от каждого груза (самолёта, пилотов, пассажиров…) по формуле момент=вес  плечо; справочные значения масс, плеч и моментов приводятся в разделе 6 РЛЭ;

3) Определить суммарный вес и суммарный момент;

4) Рассчитать положение ц.т. разделив суммарный момент на суммарный вес;

5) Суммарный вес не должен превышать максимального взлетного, а найденное положение ц.т. не должно выходить за пределы центровок, установленых в РЛЭ.

Применение графического метода основано на использовании графиков, предоставленных изготовителем ВС. Необходимо осуществлять те же шаги, что и в расчетном методе, но значения моментов определяются с помощью графиков. Для определения моментов от объекта (груза) применяется «график для определения загрузки ЛА» (глава 6 РЛЭ). Через выбранное значение веса (вертикальная ось) проводим горизонтальную прямую до пересечения с лучом объекта (груза), момент которого отсчитываем опустив перпендикуляр из точки пересечения на горизонтальную ось (ось моментов). После этого необходимо просуммировать все веса и моменты грузов и воспользоваться «графиком для определения диапазона моментов ц.т.» (глава 6  РЛЭ).

На графике диапазона ц.т. (аналог центровочного колодца) проводим вертикальную линию, соответствующую суммарному моменту, и горизонтальную, соответствующую суммарному весу. Если точка пересечения этих линий находится внутри диапазона (выделенный прямоугольник), загрузка ЛА не выходит за установленные пределы.

В табличном методе используются те же принципы, но все данные содержатся в таблице, предоставленной изготовителем ВС.

 

Пример расчёта центровки для самолёта Cessna-172S.

Рис. 6-1 РЛЭ

Образец расчета загрузки

ОПИСАНИЕ ЭЛЕМЕНТА