El centro de gravedad (CG) de un avión es el punto sobre el cual el avión se equilibraría. [1] Su posición se calcula después de apoyar la aeronave en al menos dos juegos de básculas o celdas de carga y anotando el peso mostrado en cada juego de básculas o celdas de carga. El centro de gravedad afecta la estabilidad del avión. Para garantizar que la aeronave sea segura para volar, el centro de gravedad debe estar dentro de los límites especificados establecidos por el fabricante de la aeronave.
El centro de gravedad (CG) se calcula de la siguiente manera:
El brazo que resulte de este cálculo debe estar dentro de los límites del centro de gravedad dictados por el fabricante de la aeronave. Si no es así, se debe quitar, agregar (raramente) o redistribuir peso en la aeronave hasta que el centro de gravedad caiga dentro de los límites prescritos.
Los cálculos del centro de gravedad de la aeronave solo se realizan a lo largo de un único eje desde el punto cero del datum de referencia que representa el eje longitudinal de la aeronave (para calcular el equilibrio de adelante hacia atrás). Algunos tipos de helicópteros utilizan límites de CG laterales así como límites longitudinales. La operación de tales helicópteros requiere calcular el CG a lo largo de dos ejes: un cálculo para el CG longitudinal (equilibrio de adelante hacia atrás) y otro cálculo para el CG lateral (equilibrio de izquierda a derecha).
Los valores de peso, brazo y momento de los elementos fijos de la aeronave (es decir, motores, alas, componentes electrónicos) no cambian y los proporciona el fabricante en la Lista de equipos de la aeronave. El fabricante también proporciona información que facilita el cálculo de momentos para cargas de combustible. Los elementos de peso extraíbles (es decir, miembros de la tripulación, pasajeros, equipaje) deben tenerse en cuenta adecuadamente en el cálculo del peso y del CG por parte del operador de la aeronave.
Para encontrar el centro de gravedad, dividimos el momento total por el peso total: 193.193/2.055 = 94,01 pulgadas detrás del plano de referencia.
En aviones más grandes, el peso y el equilibrio a menudo se expresan como porcentaje de la cuerda aerodinámica media o MAC. Por ejemplo, supongamos que el borde de ataque del MAC está a 62 pulgadas detrás del punto de referencia. Por lo tanto, el CG calculado anteriormente se encuentra a 32 pulgadas detrás del borde de ataque del MAC. Si el MAC tiene 80 pulgadas de largo, el porcentaje de MAC es 32/80 = 40%. Si los límites permitidos fueran del 15% al 35%, la aeronave no estaría cargada adecuadamente.
Cuando el peso o el centro de gravedad de una aeronave está fuera del rango aceptable, es posible que la aeronave no pueda mantener el vuelo, o puede que sea imposible mantener la aeronave en vuelo nivelado en algunas o todas las circunstancias, lo que en algunos casos resulta en carga . cambiando . Colocar el CG o el peso de una aeronave fuera del rango permitido puede provocar un accidente inevitable de la aeronave.
Cuando el centro de gravedad (CG) longitudinal está fuera de rango, pueden ocurrir graves problemas de control de la aeronave. El CG longitudinal afecta la estabilidad longitudinal de la aeronave, aumentando la estabilidad a medida que el CG avanza y disminuye a medida que el CG se mueve hacia atrás. Con una posición del CG adelantada, aunque la estabilidad de la aeronave aumenta, la autoridad de control del elevador se reduce en la capacidad de elevar el morro de la aeronave. Esto puede provocar una situación grave durante el aterrizaje cuando el morro no se puede elevar lo suficiente para frenar el avión. Una posición de popa del CG puede causar graves problemas de manejo debido a la reducción de la estabilidad del cabeceo y al aumento de la sensibilidad del control del elevador, con una posible pérdida de control de la aeronave. Debido a que la quema de combustible produce gradualmente una pérdida de peso y posiblemente un cambio en el CG, es posible que una aeronave despegue con el CG dentro del rango operativo normal y, aún así, luego desarrolle un desequilibrio que resulte en problemas de control. Los cálculos de CG deben tener esto en cuenta (a menudo, el fabricante calcula parte de esto de antemano y lo incorpora a los límites de CG).
La cantidad que se debe mover un peso se puede encontrar usando la siguiente fórmula
distancia de cambio = (peso total * cambio de cg) / peso desplazado
Ejemplo:
1500 lb * 33,9 in = 50,850 momento (avión)100 lb * 68 in = 8400 momento (equipaje)cg = 37 pulgadas = (50,850 + 8,400) / 1600 lb (1/2 pulgada fuera del límite de cg)
Queremos trasladar el CG 1 usando una bolsa de 100 libras en el compartimento de equipaje.
dist de desplazamiento = (peso total * cambio de cg) / peso desplazado16 pulgadas = (1600 libras * 1 pulgada) / 100 libras
Reelaborando el problema con 100 lb movidas 16 pulgadas hacia adelante a 68 pulgadas mueve CG 1 pulgada.
1500 lb * 33,9 in = 50,850 momento (avión)100 lb * 84 in = 6800 momento (equipaje)cg = 36 pulgadas = (50,850 + 6,800) / 1600 librasnuevo cg = 36 pulgadas
Pocos aviones imponen un peso mínimo para el vuelo (aunque a menudo se especifica un peso mínimo para el piloto), pero todos imponen un peso máximo. Si se excede el peso máximo, es posible que la aeronave no pueda lograr o mantener un vuelo controlado. Un peso de despegue excesivo puede imposibilitar el despegue dentro de las longitudes de pista disponibles o puede impedir completamente el despegue. El peso excesivo en vuelo puede dificultar o imposibilitar el ascenso más allá de una determinada altitud, o puede hacer imposible mantener una altitud.
El centro de gravedad es aún más crítico para los helicópteros que para los aviones (las cuestiones de peso siguen siendo las mismas). Al igual que con los aviones de ala fija, un helicóptero puede estar cargado adecuadamente para el despegue, pero cerca del final de un vuelo largo, cuando los tanques de combustible están casi vacíos, es posible que el CG se haya desplazado lo suficiente como para que el helicóptero esté desequilibrado lateral o longitudinalmente. [1] Para helicópteros con un solo rotor principal, el CG suele estar cerca del mástil del rotor principal. Un equilibrio inadecuado de la carga de un helicóptero puede provocar graves problemas de control. Además de hacer que un helicóptero sea difícil de controlar, una condición de carga desequilibrada también disminuye la maniobrabilidad ya que el control cíclico es menos efectivo en la dirección opuesta a la ubicación del CG.
El piloto intenta equilibrar perfectamente un helicóptero para que el fuselaje permanezca horizontal en vuelo estacionario, sin necesidad de control de cabeceo cíclico excepto para corregir el viento. Dado que el fuselaje actúa como un péndulo suspendido del rotor, cambiar el centro de gravedad cambia el ángulo en el que la aeronave cuelga del rotor. Cuando el centro de gravedad está directamente debajo del mástil del rotor, el helicóptero cuelga horizontalmente; si el CG está demasiado por delante del mástil, el helicóptero cuelga con el morro inclinado hacia abajo; Si el CG está demasiado atrás del mástil, el morro se inclina hacia arriba.
Un CG delantero puede ocurrir cuando un piloto y un pasajero pesado despegan sin equipaje o el lastre adecuado ubicado detrás del mástil del rotor. Esta situación empeora si los tanques de combustible están ubicados detrás del mástil del rotor porque a medida que se quema el combustible, el peso ubicado detrás del mástil del rotor se vuelve menor.
Esta condición es reconocible cuando se llega a un vuelo estacionario después de un despegue vertical. El helicóptero tendrá una actitud de morro bajo y el piloto necesitará un desplazamiento excesivo hacia atrás del control cíclico para mantener el vuelo estacionario en condiciones sin viento. En esta condición, el piloto podría quedarse rápidamente sin control cíclico hacia atrás a medida que el helicóptero consume combustible. Al piloto también le puede resultar imposible desacelerar lo suficiente como para detener el helicóptero. En caso de falla del motor y la autorrotación resultante , es posible que el piloto no tenga suficiente control cíclico para enderezarse adecuadamente para el aterrizaje.
Un CG hacia adelante no será tan obvio cuando esté suspendido con un viento fuerte, ya que se requiere menos desplazamiento cíclico hacia atrás que cuando esté suspendido sin viento. Al determinar si existe una condición de equilibrio crítico, es esencial considerar la velocidad del viento y su relación con el desplazamiento hacia atrás del control cíclico.
Sin el lastre adecuado en la cabina, se puede exceder el CG de popa cuando:
El piloto puede reconocer una condición del CG en popa cuando llega al modo estacionario después de un despegue vertical. El helicóptero tendrá una actitud de cola baja y el piloto necesitará un desplazamiento excesivo hacia adelante del control cíclico para mantener el vuelo estacionario en condiciones sin viento. Si hay viento, el piloto necesita un cíclico de avance aún mayor. Si el vuelo continúa en esta condición, al piloto le puede resultar imposible volar en el rango superior de velocidad permitida debido a una autoridad cíclica hacia adelante inadecuada para mantener una actitud de morro bajo. Además, con un CG en popa extremo, el aire racheado o áspero podría acelerar el helicóptero a una velocidad mayor que la producida con control cíclico total hacia adelante. En este caso, la disimetría de la elevación y el aleteo de las palas podría provocar que el disco del rotor se incline hacia atrás. Con el control cíclico de avance completo ya aplicado, es posible que no se pueda bajar el disco del rotor, lo que podría provocar una posible pérdida de control o que las palas del rotor golpeen el brazo de cola.
En los aviones de ala fija, el equilibrio lateral suele ser mucho menos crítico que el equilibrio longitudinal, simplemente porque la mayor parte de la masa del avión está situada muy cerca de su centro. Una excepción es el combustible, que puede cargarse en las alas, pero como las cargas de combustible suelen ser simétricas con respecto al eje de la aeronave, el equilibrio lateral no suele verse afectado. El centro de gravedad lateral puede llegar a ser importante si el combustible no se carga uniformemente en los tanques a ambos lados del avión o (en el caso de aviones pequeños) cuando los pasajeros se encuentran predominantemente en un lado del avión (como un piloto que vuela solo). en un avión pequeño). Pequeñas desviaciones laterales del CG que están dentro de los límites pueden causar una molesta tendencia al balanceo que los pilotos deben compensar, pero no son peligrosas siempre que el CG permanezca dentro de los límites durante la duración del vuelo.
Para la mayoría de los helicópteros, normalmente no es necesario determinar el CG lateral para instrucción de vuelo normal y vuelos de pasajeros. Esto se debe a que las cabinas de los helicópteros son relativamente estrechas y la mayoría del equipo opcional está ubicado cerca de la línea central. Sin embargo, algunos manuales de helicópteros especifican el asiento desde el que se debe realizar el vuelo en solitario. Además, si hay una situación inusual, como un piloto pesado y una carga completa de combustible en un lado del helicóptero, que podría afectar el CG lateral, se debe verificar su posición con respecto a la envolvente del CG. Si se transportan cargas externas en una posición que requiere un gran desplazamiento de control cíclico lateral para mantener el vuelo nivelado, la efectividad cíclica hacia adelante y hacia atrás podría verse dramáticamente limitada.
Muchos aviones grandes de categoría de transporte pueden despegar con un peso mayor que el que pueden aterrizar. Esto es posible porque el peso de combustible que las alas pueden soportar a lo largo de su envergadura en vuelo, o cuando están estacionadas o en rodaje en tierra, es mayor del que pueden tolerar durante el estrés del aterrizaje y aterrizaje, cuando el apoyo no está distribuido a lo largo de la trayectoria. envergadura del ala.
Normalmente, la porción del peso de la aeronave que excede el peso máximo de aterrizaje (pero cae dentro del peso máximo de despegue) está compuesta enteramente de combustible. A medida que el avión vuela, el combustible se quema y, cuando el avión está listo para aterrizar, está por debajo de su peso máximo de aterrizaje. Sin embargo, si una aeronave debe aterrizar temprano, a veces el combustible que queda a bordo mantiene la aeronave por encima del peso máximo de aterrizaje. Cuando esto sucede, la aeronave debe quemar el combustible (volando en un patrón de espera) o tirarlo (si la aeronave está equipada para hacerlo) antes de aterrizar para evitar daños a la aeronave. En caso de emergencia, una aeronave puede optar por aterrizar con sobrepeso, pero esto puede dañarla y, como mínimo, un aterrizaje con sobrepeso exigirá una inspección exhaustiva para comprobar si hay algún daño.
En algunos casos, un avión puede despegar deliberadamente con sobrepeso. Un ejemplo podría ser el de un avión transportado a una distancia muy larga con combustible adicional a bordo. Un despegue con sobrepeso normalmente requiere una pista excepcionalmente larga. No se permiten operaciones con sobrepeso con pasajeros a bordo.
Muchos aviones más pequeños tienen un peso máximo de aterrizaje que es el mismo que el peso máximo de despegue, en cuyo caso no pueden surgir problemas de aterrizaje con sobrepeso debido al exceso de combustible a bordo.
Esta sección muestra datos obtenidos de una subvención de investigación de la NASA Ames para grandes aviones de transporte comercial.[3] [4]
El rango de CG operativo se utiliza durante las fases de despegue y aterrizaje del vuelo, y el rango de CG permisible se utiliza durante las operaciones en tierra (es decir, mientras se carga la aeronave con pasajeros, equipaje y combustible).