8.4 GEWICHT EN BALANS
Dit hoofdstuk gaat over de invloed van de belading op de ligging van het zwaartepunt en op het (maximale) gewicht. Zwaartepuntligging en gewicht beïnvloeden de vliegeigenschappen (stabiliteit, besturing en prestaties). Daarnaast is het gewicht van invloed op de sterkte van de constructie.
8.4.1 Algemeen
Weegrapport
Bij de weging van het zweefvliegtuig wordt naast het leeggewicht tevens de zwaartepuntligging vastgesteld. Deze twee gegevens vormen de basis voor het weegrapport dat deel uitmaakt van de boorddocumenten. Aan de hand van dit weegrapport wordt gekeken of de minimum en maximum vliegergewichten uit het vlieghandboek nog steeds van toepassing zijn. Daarnaast wordt dit weegrapport gebruikt om te beoordelen of het maximaal toegestane vliegtuiggewicht niet wordt overschreden als men extra gewicht meeneemt. Dit weegrapport vormt dan ook de basis voor het correct beladen van het toestel.
Gewicht en massa
Gewicht (W van het Engelse ‘weight’) is het product van massa en zwaartekrachtversnelling (W = m x g). Gewicht wordt uitgedrukt in Newton (N) en massa wordt uitgedrukt in kg. De zwaartekrachtversnelling , wordt in dit document gemakshalve afgerond op 10 m/s2. Tijdens een horizontale, stationaire vlucht zijn alle krachten en momenten met elkaar in evenwicht. Een vliegtuig met een massa van 290 kg weegt dan 290 x 10 = 2900 N. In de luchtvaart wordt het steeds gebruikelijker te spreken over ‘massa’ in plaats van over ‘gewicht’. Vandaar dat de ‘gewichten’ in dit hoofdstuk worden uitgedrukt in de eenheid kilogram (kg).
Zwaartepunt en liftaangrijppunt
Het zwaartepunt, in het Engels ‘center of gravity’ (CG), van een vliegtuig bevindt zich in de buurt van het drukpunt. Het drukpunt, in het Engels ‘center of pressure’ (CP) is de plek waar de lift aangrijpt op de hoofdvleugel. Dit drukpunt bevindt zich niet geheel toevallig ter hoogte van de vleugelligger dus op ongeveer een kwart van de vleugelkoorde, zie afbeelding 4-1. Het zwaartepunt (CG) van het vliegtuig bevindt zich niet altijd op dezelfde plek. Afhankelijk van de gewichtsverdeling in het vliegtuig zal het CG meer naar voren, achteren, links of rechts liggen. Hoe verder het CG daarbij is verwijderd van het CP, hoe groter de vereiste roerkracht (lees: hoogteroeruitslag of rolroeruitslag) om het toestel in balans te houden. Komt het CG te ver van het CP te liggen dan wordt de maximale roercapaciteit overschreden en wordt het toestel onbestuurbaar.
Opmerking: De zwaartekrachtversnelling bedraagt in Nederland 9,81 m/s2.
De exacte ligging van het drukpunt hangt af van het soort vleugelprofiel en van de invalshoek.
Afbeelding 8.4.1 CP en CG
Krachten en momentenVoor een stationaire vlucht is het noodzakelijk dat alle krachten en momenten met elkaar in evenwicht zijn. Wat de krachten betreft, dienen gewicht (W), liftkracht (L) en eventuele staartkracht (S) elkaar op te heffen. De (maximale) staartkracht S wordt in belangrijke mate beïnvloedt door de (maximale) hoogteroeruitslag. Wat de momenten betreft dient een eventueel liftmoment (ML) te worden gecompenseerd door een staartmoment (MS) (zie afbeelding 4-2). Een liftmoment ontstaat als het CP zich op een afstand ‘a’ van het CG bevindt en wordt berekend met de formule ML = L x a. Afhankelijk van de ligging van het CG ten opzichte van het CP is dit een neuslastig of staartlastig moment. Dit neuslastige of staartlastige moment moet worden gecompenseerd door een staartmoment (MS). Dit staartmoment ontstaat doordat een staartkracht S op een afstand ’b’ van het CG werkt; in formule MS = S x b.
Afbeelding 8.4.2 Krachten en momentenevenwicht
Stabiliteit en onstabiliteit
Een stabiel vliegtuig zal na een verstoring willen terugkeren naar de oorspronkelijke evenwichtstoestand. Wordt bijvoorbeeld tijdens het aanvliegen van thermiek de neus omhoog getild dan neemt de invalshoek op de hoofdvleugel toe en gaat deze meer lift leveren. Afhankelijk van de ligging van het CP ten opzichte van het CG ontstaat dan een neuslastig of staartlastig moment welk moet worden hersteld door het staartmoment. Is de staart niet (langer) in staat dit herstellende moment te leveren dan is het vliegtuig onstabiel. In afbeelding 4-3 wordt dit geïllustreerd met een knikker op een schotel. Ligt de schotel op zijn kop, dan zal de knikker na een verstoring niet meer terugkeren naar de evenwichtstoestand (onstabiel). Ligt de knikker in de kom van de schotel, dan zal na een verstoring de knikker terugkeren naar de evenwichtstoestand (stabiel).
Afbeelding 8.4.3 Stabiliteit en onstabiliteit
8.4.2 Invloed zwaartepunt op stabiliteit, besturing en prestaties
Invloed zwaartepunt op langsstabiliteit
Bij het vak ‘Beginselen van het Zweefvliegen’ wordt ook aandacht besteed aan stabiliteit en onstabiliteit. Een zwaartepunt vóór het liftaangrijppunt levert altijd een stabiele situatie op in de zin van een herstellend moment na een verstoring, zie afbeelding 8.4.4.
Afbeelding 8.4.4, Zwaartepunt voor liftaangrijppunt: altijd stabiel
Zodra het zwaartepunt achter het liftaangrijppunt komt te liggen, ziet men het herstellend vermogen (en dus de stabiliteit) afnemen naarmate het zwaartepunt zich steeds verder naar achteren verplaatst, zie afbeelding 8.4.5.
Afbeelding 8.4.5, Zwaartepunt achter liftaangrijppunt: afnemende stabiliteit
Om te voorkomen dat het vliegtuig onstabiel wordt, heeft men een achterste limiet voor het zwaartepunt vastgesteld, zie afbeelding 8.4.6. Deze achterste limiet heeft dus te maken met de stabiliteit en niet met de capaciteit van het hoogteroer. Een voorlijk zwaartepunt is vanuit het oogpunt van stabiliteit dan ook idealer dan een achterlijk zwaartepunt.
Afbeelding 8.4.6 Zwaartepunt achter achterste limiet: onstabiel
Invloed zwaartepunt op de langsbesturing
Vanuit het oogpunt van besturing is een voorlijk zwaartepunt echter niet altijd gewenst. Bij een voorlijk zwaartepunt dient de benodigde staartkracht S negatief te zijn om het neuslastige moment te compenseren. Hiertoe dient het hoogteroer omhoog uit te slaan. Bij een te voorlijke ligging van het zwaartepunt is de capaciteit van het uitgeslagen hoogteroer ontoereikend om het neuslastige moment te compenseren en wordt de het vliegtuig onbestuurbaar, zie afbeelding 8.4.7. Om dit te voorkomen heeft men een voorste limiet voor het zwaartepunt vastgesteld.
Afbeelding 8.4.7 Zwaartepunt voor voorste limiet: onbestuurbaar
Invloed zwaartepunt op de prestaties
Bij een voorlijk zwaartepunt is de benodigde staartkracht dus negatief. De vleugellift (L) moet nu niet alleen het gewicht (G) maar ook de staartkracht (S) compenseren. De vleugellift moet dus toenemen en dat kost energie. Bovendien kost het opwekken van de staartkracht zelf ook energie. Deze energie wordt betaald in de vorm van (geïnduceerde) weerstand. Vanuit prestatieoogpunt is dit niet gewenst en daarom probeert men het zwaartepunt zover mogelijk naar achteren te leggen opdat het nadelige effect van de staartkracht is geminimaliseerd en waarbij het vliegtuig toch voldoende stabiel blijft.
Samenvattend: het zwaartepunt dient zich binnen een voorste en een achterste limiet te bevinden. De voorste limiet heeft te maken met de besturingseigenschappen; de achterste limiet met de stabiliteit. Hoe voorlijker het zwaartepunt hoe stabieler het vliegtuig. Een te voorlijk zwaartepunt kan tot onbestuurbaarheid leiden (neuslastig moment dat niet kan worden opgevangen met het getrokken hoogteroer). Hoe achterlijker het zwaartepunt hoe minder stabiel het vliegtuig maar hoe beter de prestaties. Een te achterlijk zwaartepunt kan leiden tot onstabiel gedrag. Bij een verstoring is er dan geen herstellend moment.
8.4.3 Invloed gewichtsverdeling op zwaartepunt
De gewichtsverdeling in romp en vleugels beïnvloedt dus de zwaartepuntligging in langsrichting en daarmee de stabiliteit, de besturingseigenschappen en de prestaties. De gewichtsverdeling wordt niet alleen beïnvloedt door het vliegergewicht maar ook door andere gewichten zoals ballast in de vorm van parachutes, loodblokjes, bagage, accu’s en water. Het is dan ook zaak dat de vlieger zich terdege rekenschap geeft van de effecten van al deze vormen van ballast. Dit wordt hieronder verduidelijkt aan de hand van enige voorbeelden.
Invloed vlieger
De aanwezigheid van een vlieger brengt het zwaartepunt naar voren. Er kan worden uitgerekend wat het minimum- en het maximum vliegergewicht is teneinde het zwaartepunt binnen de limieten te houden. Bij veel zweefvliegtuigen wordt het minimumgewicht gesteld op 70 kg en het maximum gewicht op 110 kg. Bij een vlieger van 70 kg ligt het zwaartepunt dan op de achterste limiet (35% MAC) en is het vliegtuig enigszins staartlastig hetgeen kan worden gecompenseerd met een hoogteroeruitslag omlaag. Bij een vlieger van 110 kg ligt het zwaartepunt op de voorste limiet en is het toestel enigszins neuslastig hetgeen kan worden gecompenseerd met een hoogteroeruitslag omhoog. Zie afbeelding 8.4.8.
Opmerking
In het geval van een tweezitter zoals een ASK21, bevindt de achterste vlieger zich in of net voor het zwaartepunt waardoor de invloed op de zwaartepuntligging minimaal is.
Afbeelding 8.4.8 Vliegtuig beladen op de limieten
Invloed loodblokjes
Is de vlieger te licht dan kan het tekort aan gewicht worden aangevuld door een parachute aan te trekken en/of loodblokjes te installeren in speciaal daarvoor bestemde bakjes in de cockpit. Volg hiertoe de aanwijzingen op uit het vlieghandboek. Omgekeerd kan men het gewicht van een te zware vlieger niet compenseren door extra gewicht aan te brengen in de staart. Het maximale gewicht heeft niet alleen te maken met de zwaartepuntligging maar ook met de sterkte van de cockpit. Toch kunnen in sommige tweezittervliegtuigen loodblokjes in de staart worden geplaatst teneinde een meer achterlijke zwaartepuntligging te bewerkstelligen bij een relatief zwaar beladen cockpit. Een achterlijke zwaartepuntligging is gunstiger voor de vliegprestaties maar maakt herstel uit een tolvlucht ook lastiger. Soms wordt tijdens een lesvlucht deze configuratie bewust opgezocht met als doel dit herstel te oefenen.
Invloed bagage
Het bagagecompartiment bevindt zich meestal ter hoogte van het zwaartepunt zodat eventueel aanwezige bagage de zwaartepuntligging niet of nauwelijks beïnvloedt. Het maximaal toegestane bagagegewicht heeft dan ook alleen te maken met de sterkte van het compartiment en dat het totaalgewicht van het vliegtuig niet wordt overschreden.
Invloed accu’s
Deze paragraaf gaat met name over de invloed van een eventuele, extra te installeren staartaccu. Met een staartaccu wordt niet alleen de batterijcapaciteit verhoogd maar wordt ook het zwaartepunt naar achteren verplaatst. Van belang daarbij is dat het zwaartepunt niet voorbij de achterste limiet komt.
Invloed water
Vliegen met water verhoogt de vleugelbelasting hetgeen gunstig is voor de vliegprestaties. Het water wordt in principe opgeslagen in vleugeltanks bestaande uit waterzakken of afgeschermde compartimenten welke zich net vóór de hoofdligger bevinden, dus vóór het liftaangrijppunt. Het meenemen van water zal in de meeste gevallen het zwaartepunt naar voren verplaatsen en daarmee een neuslastig moment veroorzaken. Om dit neuslastige moment te compenseren kan in sommige zweefvliegtuigen óók water worden meegenomen in het kielvlak waardoor het zwaartepunt weer meer naar achter komt te liggen waardoor de prestaties nog verder verbeteren. Zie afbeelding 8.4.9.
Afbeelding 8.4.9 invloed van vleugel- en staartwater op CG
Opmerking
Zoals bekend moet tijdens de vlucht het water geloosd kunnen worden. Om die reden zijn de tanks uitgerust met kranen die bediend worden vanuit de cockpit. De bediening van de hendels is zodanig dat in de meeste gevallen eerst de staart wordt geleegd en pas daarna de vleugels om te vooromen dat het zwaartepunt te ver naar achteren komt te liggen. Zodra men constateert dat een kraan niet open wil, dient men het lozen meteen te stoppen om een verdere onbalans te voorkomen.
8.4.4 Maximaal toegestaan vliegtuiggewicht
In het weegrapport wordt naast de zwaartepuntligging tevens het leeggewicht vermeld. Het leeggewicht is het gewicht van het vliegtuig zonder vlieger, parachute, lood, bagage, extra accu en water.
In het vlieghandboek staat het maximaal toegestane vliegtuiggewicht vermeld dat om structurele redenen niet mag worden overschreden. Met name geldt dit voor het maximale gewicht van de zogenaamde niet-dragende delen (romp met kielvlak). Het is dus belangrijk dat de combinatie vlieger(s), parachute(s), lood, accu’s en water het maximaal toegestane vliegtuiggewicht niet overschrijdt.
