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如何飞的更安全? 轻型飞机配载与平衡 来源:教学科研处    作者: 教学科研处

“情景重现
    有时我们会发现,飞机在起飞滑跑过程中,虽然飞机积累的速度已经足够起飞,但飞机却迟迟不能离地,或达到起飞速度刚刚离地,又被某种力量拽回地面,为什么会出现这种状况呢?不知你是否有过这样的经历,配平轮已经推到向前的极限位置,你还需要费好大力气推着驾驶杆控制着机头上仰的趋势,突然想起刚刚客人迟到匆忙上飞机后行李被胡乱的塞在机舱里,滑跑时机头上仰的速度太快吓了你一跳。”
    起飞后你想到这些细节,便很容易推断出哪里出了问题:飞机可能超载,配载平衡几乎要超限了!还好飞机最终离地起飞,并且安全降落。但你要知道,你可不会永远都有这样的好运气。最重要的是,你已违反安全规章。想一想如果那些急忙上飞机的乘客中有几个身材高大,或者他们多带了哪怕一点点行李,又被胡乱的塞在后面的行李舱内,后果将极其危险。
飞机的重量
      为了飞行安全,飞机在设计之初就针对飞机的载重极限进行了大量理论计算及试飞,所有这些结果体现在飞行手册中,装载行李必须遵守手册限制。随机飞机的机体结构允许承受一定的过载,但是如果飞机超重,机动飞行时过载很容易超过限制值,严重的会导致飞机结构受损,甚至解体。
      从飞行性能角度来说,超重的唯一好处就是增大了飞机的下降率(飞机掉高度掉得更快)。从另一个角度来说,超重对于飞机的起飞爬升性能产生副作用。
这些副作用体现在:
1.更大的起飞速度
2.更长的起飞滑跑距离
3.更小的爬升率
4.更小的爬升梯度(爬升角)
5.更小的升限
6.更短的航程
7.更小的巡航速度
8.更大的失速速度
9.更大的着陆速度
10.更大的着陆滑跑距离
在起飞或着陆的关键阶段,上述影响在某些情况下将严重危及飞行安全。

飞机的平衡
      与飞机的载重重量一样,飞机的载重分布需要引起飞行员的重视。飞机的重心随着重量分布的不同而变化,这种变是有严格限制的。如果重心的位置超出了限制,会引起飞机能力操纵变差甚至失效从而引起严重后果。飞机的最大起飞重量超出限制会引起重心限制失效。
     飞机的重心越靠后,飞机的稳定性就越差。重心越靠后飞机从失速改出时就越困难。极端情况是,即使飞行员推杆到底,配平轮到前极限位置也很难控制飞机机头上仰的趋势,进而飞机进入失速。尤其在起飞时,过高的俯仰姿态,和为了控制机头过快过大上仰而采取的全力推杆动作,都是飞机重心太过靠后所导致的。另外,飞行员在操作稳定性差的飞机时,也会对拉杆量的大小存在顾虑。
     反之,重心太过靠前时,飞行员需要更大的带杆量和更多向后的配平,在起飞时飞行员要用更大的带杆行程使飞机形成离地的姿态,着陆时飞行员会觉得飞机退出下滑进入平飘建立正常着陆姿态变的困难。即使飞机的最大起飞重量在允许的范围内,不正确的配载也同样会使重心超出限制,在飞行中耗油或者多个油箱的油量分布变化也能使重心位置发生变化,起飞时重心在正常范围,随着油量消耗重心可能会超出限制。有些事故的原因是由于行李的固定方式不正确引起的。飞行员应牢记,重心安全限制的前提是飞机的最大起飞重量不超过手册规定的最大值。

特技飞机的重量与平衡
     飞机在进行机动飞行时,重量和重心的分布对飞行安全至关重要,尤其是特技飞行和螺旋练习时。重量超限的飞机在做大过载机动飞行时会造成飞机结构受损甚至空中解体。重心超限会造成飞机操作困难甚至失控,体现在螺旋飞行时尤其显著,很多螺旋事故的原因是由于飞机重心超限,操作失效飞行员无法从螺旋中改出造成的。
     同样的机型,用于特技飞行或者螺旋训练的飞机重量和重心限制比一般类训练的限制更加严格。在做特技科目飞行时需要严格限制飞机的载重,乘员重量和携带的油量,特技飞行前必须遵照手册中特技飞行的标准计算飞机的重量和平衡。
一些定义
重心
飞机全部重量的集中点,若以此点为支撑点,机头和机尾可以保持平衡。
重心限制
重心前后移动的极限。在限制范围之内,飞机的俯仰操纵才能产生足够的力矩使飞机改变姿态。
基准面
一条假想的垂直面,位于机身的纵轴上。基准面的位置是任意规定的,它可以位于机头防火墙,螺旋桨等位置。以基准面为准来测量用于计算重心和平衡的水平距离。
力臂
从基准面至飞机任一组件或飞机任意物体的水平距离称为力臂。如果某个组件位于基准面的后面即以正数来表示,或基准面后多少距离(毫米,英寸)。如果组件或物体在基准面的前面,即以负数来表示,或基准面前多少距离表示。
力矩
物体的重量乘以力臂。
飞机的基本空重
飞机重量计算的始点,为未载人、未装货,未添加燃油时的重量。它包括标准的飞机结构重量,选装设备的重量、动力装置的重量,和油箱中不可用的燃油重量,和发动机滑油满载时的工作液体重量。一般用千克或磅表示。飞机手册中提供了基本空重的数据。
最大全重
飞机手册规定的最大允许重量,在飞行手册的限制一节中可以查到,对于一些轻型飞机来说最大允许重量和最大起飞重量、最大着陆重量的数据相同,但有一些机型这些数值存在差异。
重量和平衡的计算
航空规章规定飞行器的机长对飞行器的安全负责,其中包括保证飞行器的最大起飞重量不超过限制值,在飞行期间飞机的重心在安全范围以内。在进行飞行准备时,飞行员应根据飞行手册计算飞机的重量和平衡。

下面我们用一个典型的四座轻型飞机的例子演示一下如何计算飞机的重量和平衡。
步骤如下
     1.飞机手册中给出了一个有条目和数值的列表,我们只需根据对应的条目填上相应的数据。有些数据是固定的,比如空机重量及其力臂等。这些数据可在飞机的重量与平衡的记录文件中查找到。
     2.根据实际数据填上燃油、飞行员、前排乘客、后排乘客和行李的重量。需要注意的是在计算燃油重量时需要把公升(或美制加仑)(参见文后换算比例)转换成重量单位千克(或磅),如果有必要可要求乘客上秤称出体重。
     3.在重量一栏中计算出求出重量的总和,这个数值应该不超过手册规定的最大值。如果超出了最大允许重量的限制就需要减少载重,比如要求乘客留下一些行李,或在可以的情况下减少载油量。
     4.用相应的重量乘以对应的力臂得出力矩,再求出所有力矩的总和。
     5.用力矩的总和除以总重量得出重心的位置(即重心距基准面的距离)这个数值应该在可以接受的限制内。如果超出限制则需要调整载重的分布。
装载的调整
    如果重心在限制之外或处于刚刚处于限制的边界上,你就需要对装载进行调整了,这样会改善飞机的操纵性。一般的原则是越重的载重距离重心越近越好。如果需要更精确的计算,可以用一下的公式:行李位移=总重量*重心变化/行李重量
    举例来说,你计算出总起飞重量是1055kg,但是飞机的重心需要向前移动20mm,有一件25公斤的行李可以放到更向前的位置,则利用上面的公式得出:行李的位移=1055*20/25=844mm
    还有一种情况,当我们已经知道可以移动的距离但是无法确定需要移动多少重量时,可以用下面这个公式(上一个公式的变种):行李重量=总重量*重心变化/移动距离
     还以上个例子为基础,假设需要把一些重量向前调整700毫米,求这些重量就可用以下这个公式得到:调整的重量=1055*20/700=30.1kg
关于计量单位
     在不同国家使用的计量单位不同,比如美国通用美制单位,重量多用磅,力臂单位多用英寸,容积单位多用加仑。但其他国家多使用公制单位比如千克,毫米,公升等等,在计算飞机的重量和平衡时需要统一这些单位,不能混淆。某些情况下允许使用千克/英寸,或磅/毫米这样的组合。需要强调的一点是一般的通航飞机并不适合满载运行,尤其是受其他诸如起降机场跑道,气象条件等限制情况下,飞行员对于载重和乘客重量需要格外小心。