El centro de gravedad (CG) de una aeronave es el punto sobre el cual la aeronave se equilibraría. [1] Su posición se calcula después de apoyar la aeronave en al menos dos juegos de básculas o celdas de carga y anotar el peso que se muestra en cada juego de básculas o celdas de carga. El centro de gravedad afecta la estabilidad de la aeronave. Para garantizar que la aeronave pueda volar de forma segura, el centro de gravedad debe estar dentro de los límites específicos establecidos por el fabricante de la aeronave.
El centro de gravedad (CG) se calcula de la siguiente manera:
El brazo resultante de este cálculo debe estar dentro de los límites del centro de gravedad dictados por el fabricante de la aeronave. En caso contrario, se debe quitar peso a la aeronave, agregarlo (raramente) o redistribuirlo hasta que el centro de gravedad se encuentre dentro de los límites prescritos.
Los cálculos del centro de gravedad de la aeronave se realizan únicamente a lo largo de un único eje desde el punto cero del dato de referencia que representa el eje longitudinal de la aeronave (para calcular el equilibrio de adelante hacia atrás). Algunos tipos de helicópteros utilizan límites laterales del centro de gravedad, así como límites longitudinales. La operación de dichos helicópteros requiere el cálculo del centro de gravedad a lo largo de dos ejes: un cálculo para el centro de gravedad longitudinal (equilibrio de adelante hacia atrás) y otro cálculo para el centro de gravedad 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 son proporcionados por 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 removibles (es decir, miembros de la tripulación, pasajeros, equipaje) deben tenerse en cuenta correctamente en el cálculo de peso y centro de gravedad 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 aeronaves más grandes, el peso y el equilibrio se expresan a menudo como un porcentaje de la cuerda aerodinámica media o MAC. Por ejemplo, supongamos que el borde de ataque de la 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 de la MAC. Si la MAC tiene 80 pulgadas de longitud, el porcentaje de la MAC es 32 / 80 = 40%. Si los límites permitidos fueran del 15% al 35%, la aeronave no estaría correctamente cargada.
Cuando el peso o el centro de gravedad de una aeronave se encuentra fuera del rango aceptable, la aeronave puede no ser capaz de sostener el vuelo, o puede ser imposible mantener la aeronave en vuelo nivelado en algunas o todas las circunstancias, lo que en algunos casos resulta en un desplazamiento de la carga . Colocar el centro de gravedad o el peso de una aeronave fuera del rango permitido puede provocar un choque inevitable de la aeronave.
Cuando el centro de gravedad (CG) delantero-trasero está fuera de rango, pueden ocurrir serios problemas de control de la aeronave. El CG delantero-trasero afecta la estabilidad longitudinal de la aeronave, con la estabilidad aumentando a medida que el CG se mueve hacia adelante y disminuyendo a medida que el CG se mueve hacia atrás. Con una posición de CG delantera, aunque la estabilidad de la aeronave aumenta, la autoridad de control del elevador se reduce en la capacidad de levantar el morro de la aeronave. Esto puede causar una condición grave durante el aterrizaje cuando el morro no se puede levantar lo suficiente para frenar la aeronave. Una posición de CG trasera puede causar graves problemas de manejo debido a la estabilidad de cabeceo reducida y la sensibilidad del control del elevador aumentada, con la 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 sin embargo, más tarde desarrolle un desequilibrio que resulte en problemas de control. Los cálculos del CG deben tener esto en cuenta (a menudo parte de esto es calculado por adelantado por el fabricante e incorporado a los límites del CG).
La cantidad que se debe mover un peso se puede encontrar utilizando la siguiente fórmula
Distancia de desplazamiento = (peso total * cambio de cg) / peso desplazado
Ejemplo:
1500 lb * 33,9 in = 50 850 momento (avión)100 lb * 68 in = 8400 momentos (equipaje)cg = 37 pulgadas = (50 850 + 8400) / 1600 lb (1/2 pulgada fuera del límite del cg)
Queremos mover el CG 1 usando una bolsa de 100 libras en el compartimiento de equipaje.
desplazamiento de distribución = (peso total * cambio de cg) / peso desplazado16 pulgadas = (1600 libras * 1 pulgada) / 100 libras
Al reelaborar el problema con 100 lb movidos 16 pulgadas hacia adelante a 68 pulgadas, el CG se mueve 1 pulgada.
1500 lb * 33,9 in = 50 850 momento (avión)100 lb * 84 pulgadas = 6800 momentos (equipaje)cg = 36 pulgadas = (50 850 + 6800) / 1600 librasnuevo cg = 36 pulgadas
Pocas aeronaves imponen un peso mínimo para el vuelo (aunque a menudo se especifica un peso mínimo del piloto), pero todas imponen un peso máximo. Si se excede el peso máximo, la aeronave puede no ser capaz de lograr o mantener un vuelo controlado. Un peso excesivo al despegue puede hacer imposible el despegue dentro de las longitudes de pista disponibles, o puede impedir completamente el despegue. Un peso excesivo en vuelo puede hacer que ascender más allá de cierta altitud sea difícil o imposible, o puede hacer imposible mantener una altitud.
El centro de gravedad es incluso más crítico para los helicópteros que para los aviones de ala fija (los problemas de peso siguen siendo los mismos). Al igual que con los aviones de ala fija, un helicóptero puede estar correctamente cargado para el despegue, pero cerca del final de un vuelo largo, cuando los tanques de combustible están casi vacíos, el CG puede haberse desplazado lo suficiente como para que el helicóptero esté desequilibrado lateral o longitudinalmente. [1] Para los 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 dificultar el control de un helicóptero, una condición de carga desequilibrada también reduce la maniobrabilidad, ya que el control cíclico es menos eficaz en la dirección opuesta a la ubicación del CG.
El piloto intenta equilibrar perfectamente un helicóptero de modo que el fuselaje permanezca horizontal en vuelo estacionario, sin necesidad de ningún control cíclico del cabeceo, salvo para corregir el viento. Dado que el fuselaje actúa como un péndulo suspendido del rotor, al cambiar el centro de gravedad se modifica el ángulo en el que el avión cuelga del rotor. Cuando el centro de gravedad está directamente debajo del mástil del rotor, el helicóptero cuelga horizontalmente; si el centro de gravedad está demasiado adelantado respecto del mástil, el helicóptero cuelga con el morro inclinado hacia abajo; si el centro de gravedad está demasiado alejado del mástil, el morro se inclina hacia arriba.
Un CG adelantado puede ocurrir cuando un piloto y un pasajero pesados despegan sin equipaje o 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 disminuye.
Esta condición se reconoce 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 un vuelo estacionario en una condición sin viento. En esta condición, el piloto podría quedarse rápidamente sin control cíclico hacia atrás a medida que el helicóptero consume combustible. El piloto también puede encontrar imposible desacelerar lo suficiente para detener el helicóptero. En caso de falla del motor y la autorrotación resultante , el piloto puede no tener suficiente control cíclico para frenar correctamente para el aterrizaje.
El centro de gravedad hacia adelante no será tan evidente cuando se vuela en vuelo estacionario con viento fuerte, ya que se requiere menos desplazamiento cíclico hacia atrás que cuando se vuela en vuelo estacionario sin viento. Para determinar si existe una condición crítica de equilibrio, 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 centro de gravedad de popa cuando:
El piloto puede reconocer una condición de CG atrasado cuando alcanza un vuelo 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 un vuelo estacionario en una condición sin viento. Si hay viento, el piloto necesita un desplazamiento cíclico hacia adelante aún mayor. Si el vuelo continúa en esta condición, el piloto puede encontrar imposible volar en el rango superior de velocidad aerodinámica permitida debido a una autoridad cíclica hacia adelante inadecuada para mantener una actitud de morro bajo. Además, con un CG atrasado extremo, el aire racheado o agitado podría acelerar el helicóptero a una velocidad más rápida que la producida con un control cíclico hacia adelante completo. En este caso, la disimetría de la sustentación y el aleteo de las palas podrían hacer que el disco del rotor se incline hacia atrás. Con el control cíclico hacia adelante completo ya aplicado, el disco del rotor podría no poder bajar, lo que resultaría en una posible pérdida de control o en 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 se encuentra 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 respecto del eje del avión, el equilibrio lateral no suele verse afectado. El centro de gravedad lateral puede resultar importante si el combustible no se carga de forma uniforme en los tanques de 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 centro de gravedad que se encuentren dentro de los límites pueden provocar una molesta tendencia al balanceo que los pilotos deben compensar, pero no son peligrosas siempre que el centro de gravedad se mantenga dentro de los límites durante el vuelo.
En la mayoría de los helicópteros, no suele ser necesario determinar el CG lateral para la instrucción de vuelo normal y los vuelos de pasajeros. Esto se debe a que las cabinas de los helicópteros son relativamente estrechas y la mayoría del equipo opcional se encuentra 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 existe una situación inusual, como un piloto pesado y una carga completa de combustible en un lado del helicóptero, que podría afectar al CG lateral, su posición debe comprobarse con respecto a la envolvente del CG. Si se transportan cargas externas en una posición que requiere un gran desplazamiento del control cíclico lateral para mantener el vuelo nivelado, la efectividad cíclica hacia adelante y hacia atrás podría verse drásticamente limitada.
Muchos aviones de gran tamaño destinados al transporte pueden despegar con un peso mayor del que pueden soportar al aterrizar. Esto es posible porque el peso del 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 que el que pueden tolerar durante el estrés del aterrizaje y la toma de contacto, cuando el apoyo no se distribuye a lo largo de la envergadura del ala.
Normalmente, la parte del peso de la aeronave que excede el peso máximo de aterrizaje (pero que se encuentra dentro del peso máximo de despegue) está compuesta en su totalidad por combustible. A medida que la aeronave vuela, el combustible se quema y, cuando la aeronave está lista para aterrizar, está por debajo de su peso máximo de aterrizaje. Sin embargo, si una aeronave debe aterrizar antes de tiempo, a veces el combustible que queda a bordo todavía 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 desecharlo (si la aeronave está equipada para hacer esto) antes de aterrizar para evitar daños a la aeronave. En una emergencia, una aeronave puede optar por aterrizar con sobrepeso, pero esto puede dañarla y, como mínimo, un aterrizaje con sobrepeso requerirá una inspección exhaustiva para verificar si hay algún daño.
En algunos casos, un avión puede despegar deliberadamente con sobrepeso. Un ejemplo podría ser un avión que se transporta a una distancia muy larga con combustible adicional a bordo. Un despegue con sobrepeso normalmente requiere una pista excepcionalmente larga. Las operaciones con sobrepeso no están permitidas 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 operacional se utiliza durante las fases de despegue y aterrizaje del vuelo, y el rango de CG permitido se utiliza durante las operaciones terrestres (es decir, mientras se carga la aeronave con pasajeros, equipaje y combustible).