Section14 重量重心位置
如何なる航空機も安全のために重量重心位置範囲内で運航しなければならない。重量と重量配分は、性能、取り回し、操縦性、構造強度に重大な影響を及ぼす。この章では、あなたのRV−6/6Aの重量測定と重量重心位置計算を行う上での基本的な手順を示すものである。
章末の計算フォームとそこで行う計算は、FAAで定義されたパイロットの標準体重(一人当たり170Lbs)と標準的な運航条件のみに適用する。我々はパイロットと乗客の体重が一様に170Lbsではないことは承知している。重量重心位置計算を行う上で基礎となるこれら重量は、パイロットとFAAの代表的搭載条件例の両方から知ることができる。パイロットと乗客の平均体重が170Lbsを超える運航条件では、重心位置と全備(離陸)重量が許容範囲内にあることを確認する追加計算を行わなければならない。
パイロットは、FAAから要求されている重心位置計算や重量限界を知っておくだけでなく、重心位置によって航空機の安定性や取り回しにどのような影響をもたらすかについても理論として知っておくべきである。日常の運航では機体重量が重量限界計算結果と正確に適合しているか常に確認する必要はないが、安全な運航を確実なものとするためには正確な見積りや詳細な計算が必要になる。航空機の重量及び重心位置の計算は、全ての用語や計算の意味を理解しなくとも以下に示す手順と計算を行うことによって、簡単に求めることが可能である。しかしながら飛行機のパイロットたるもの、重量重心位置が持つ飛行機の飛行特性への影響や重心位置限界の意味等の重量重心位置に関する深い理解を持つことは極めて重要なことである。
あなたのRV−6/6Aの重量測定及び重心位置計算の実行の詳細に入る前に、重量重心位置計算フォームの指示が理解し易くなるよう必要となる用語の定義の再確認しよう。
1.空虚重量(自重)(Empty Weight)
固定バラスト、配管に残る使用不能な燃料及び潤滑油を含んだ機体重量。
2.全備重量(Gross Weight)
空虚重量に乗員、乗客、使用可能燃料及び荷物の合計を加算した重量。
3.最大全備(離陸)重量(Maximum Gross Weight)
全ての搭載物の搭載状態が規定の重心位置範囲内にある場合における許容された最大の全備重量。
4.全備重量(曲技)(Aerobatic Gross Weight)
耐空類別A類(曲技)の制限荷重である6Gに機体構造が耐え得ることができる重量。
RV−6/6Aでは、この重量は1375Lbsである。
5.有償重量(Payload)
乗客と荷物の重量。
6.搭載重量(Useful Weight)
乗客、燃料及び荷物の重量。
7.重心(Center of Gravity)
物体の質量が集中すると考えられる位置。(この位置に機体重量と全ての搭載物重量が集中する。)
8.アーム(Arm)又はモーメント・アーム(Moment Arm)
基準線から各搭載物の重量が集中する重心までの機(縦)軸上の水平距離。又は基準線から外力が加わる位置までの距離。通常in.(インチ)で計測し、基準線後方は正(+)、基準線前方は負(−)で表す。
9.モーメント(Moment)
重量又は外力とモーメント・アームの積である。(M=W×D)
10.基準線(Datum)
重量重心位置計算のため、全てのアームの測定を行うために製造者(製作者)によって任意に設定された航空機の基準線。通常、基準線は全てのアームの測定値が正となるように、機首先端より前に設定される。これにより重量重心位置計算が容易となる。RV−6/6Aの重量重心位置基準線は、主翼前縁から前方に60in.の位置に設定されている。章末の重量重心位置フォームとサンプル計算はこれを基にしている。
11.水平基準線(Leveling Datum)
重量測定時に航空機を水平状態にする際に、水平であると定義することができる航空機上の位置又は機体表面。RV−6/6Aの水平基準線は、胴体操縦席の頂部ロンジロンである。
12.重心位置(C.G.Location(or Range)
通常、2通りの表現がある。一つはある位置または"コードの15%から29%の間"というように主翼のコード(翼弦)を基準にして重心位置又は重心位置限界を表現する方法。この位置表現は、パーセンテージと翼弦長を掛けることによってin.による表現に置き換えることができる。(RV−6/6A,15%×58in.=8.7in.及び29%×58in.=16.8in.)基準線からの重心位置は、これら距離(アーム)に主翼前縁から基準線までの距離を加算して求められる。
13.前方重心限界(Forward C.G. Limit)
飛行中の飛行機の重心位置が前方限界近くにあると、失速やスピンに入りにくくなり、また入っても回復しやすくなる。それと共にエレベータの操作力とトリムの操作量が普段以上に必要となり、着陸時のフレアー(引き起こし)にも普段以上の操縦桿の操作が必要となる。トリム抵抗が増加するために速度が減少する傾向があるが、ピッチの安定性は向上する。一般的に飛行機の安定性や安全性は増すが、飛ぶ楽しさは減少する。(操縦に対する舵の反応が鈍感になる)
14. 後方重心限界(Rearward C.G. Limit)
飛行中の飛行機の重心位置が後方限界近くにあると、エレベータの操作力が普段以上に軽くなり、それ故高迎え角状態から容易に失速に入りやすくなる。後方重心限界にあると失速やスピンの回復時には、回復に時間を要し、普段以上の回復操作が必要となる。重心位置が後方になるに連れ、トリム抵抗が減少し、それによって速度が増す傾向となる。一般的に重心位置が中央から後方にあると、すくなくとも機動時における飛行機の安定性が減少し、飛ぶ楽しさが増す。(操縦に対する舵の反応が敏感になる)重心位置が後方限界よりも後方にあると、舵の逆転現象や他の危険な飛行状態を生じさせる。
15.曲技後方重心限界(Rearward "Aerobatic" C.G. Limit)
曲技後方重心限界は、後方重心位置における失速やスピンの回復特性を悪化させ、曲技飛行に関連した異常姿勢中に意図せぬ失速やスピンに陥る可能性が増すことからしばしば計算される。曲技後方重心限界は常に後方重心限界の前方である。RV−6/6Aの曲技後方重心限界は、翼弦26.5%、翼前縁から後方15.3in.又は基準線から後方75.3in.に設定されている。
最大積載物重量
(許容)最大積載物重量は、荷物室の床構造の強度限界によって決まる重量であり、荷物室内の最も理想的な条件下で搭載すべき最大重量である。RV−6/6Aの最大許容積載物重量は、100Lbsである。これは、RV−6/6A荷物室内に100Lbsの荷物を搭載することで重心位置と全備重量が限界に近づくことを意味する。例えば、この条件においてパイロット一人で飛行を行う場合、荷物の重量との合計が重心位置限界または全備重量限界の何れかを超過する結果となり好ましくはない。搭乗者が1名の場合、追加の荷物は乗客席(右席)に搭載することができるが、重心位置及び全備重量が限界内であり、パイロットの操縦操作に支障を来たさないよう確実に固定する必要がある。
航空機の重量測定
正確に較正されている3台のプラットホーム式(台式)航空機用秤であなたのRV−6/6Aで重量を計測する。見合う秤がホームビルダーには入手できない時、彼らには体重計(bathroom scale)を代わりに使用する。体重計は頻繁に大きな誤差を出し、RV−6/6Aの主脚部の重量を測る十分な能力を普通は持ち合わせていない。けれども他の秤が入手できない場合、体重計を2台1組にしてその上に板を渡すことで代わりとすることができる。おそらくホームビルダーは使用する体重計を何台かは借りてくる事ができるだろうし、3箇所の重量を測るには1機当たり5、6台あれば良い。この方法は最も正確にできる測定方法であり、他の方法では較正済みの秤であることが使用の前提となる。
使用する秤に関わらず、重量を測るには機体を空虚重量(自重)状態にして水平姿勢にしなければならない。水平姿勢を見極める際の基準線は、コクピット・レールである。秤は左右主脚と尾輪(または前脚)の場所に同時に据える。"下げ振り"(測量や土木現場で鉛直を出すための円錐形の振り子(錘))または垂直水準器を用いて垂直主翼前縁に対する主脚の位置を計測する、そしてそこから基準線に対するアームを求める。尾輪(又は前脚)についても同様に測定するが、"下げ振り"を床に垂らすことで正確な位置を求めることができる。そして主翼前縁又は基準線へのアームを測定する。
この章の最後の計算フォームは、RV−6/6Aの空虚重量(自重)状態における重心位置を求めるための計算例である。全てのモーメントが正となるよう、基準線はプロペラ・スピナー先端の前方に設定されている。重心位置を決定するために3項目のモーメントのみ計算し、合算しなければならない。この値は、それ自身はあまり意味あるものではないが、パイロットや燃料等の搭載した状態の重心位置計算時には重要となるものである。
全備重量時や他の限界状態時のサンプル計算例も用意した。その手順は、計算フォームの中に希望の重量値を代入することであり、次に重心位置が設計限界内であるか確認するために計算結果を点検するものである。そうでない場合は、計算結果が限界内に収まるまで対象搭載物の重量を変えて、さらなる計算が必要となる。これは重量限界または対象搭載物の組み合せが成立する重量となるだろう。こういう計算では、搭載することが飛行中における最も危険な変動要素の一つとなる燃料の総重量が常に基本とされる。言い換えれば、燃料を満タン状態にするということは苛酷な搭載条件(最大許容全備重量)を課すということであり、それは章末のサンプル条件にも採り入れている。他の例として、例えば重心位置が最も後方になるのは、飛行終了時に生じる状態である最小燃料搭載状態であると仮定される。飛行機は限界内で離陸できても、着陸時には限界から外れることがある。この例は、設計全備重量内に収めるため、燃料の代わりに重い荷物と太ったパイロットの体重を代入したサンプル条件例の中で示している。全備重量重心位置計算では何もかも全てが限界内となることを確認する。だが我々は、同じ条件で、燃焼によって燃料の重量が減り、重心位置が移動することで後方限界を超えてしまわないかの再計算も行う。荷物室内の積載重量の削減は、許容された搭載条件を満足させるために必要となる。計算の試行錯誤によって、最小燃料搭載状態における荷物室内の許容最大積載量の見積りができる。重心位置計算は、機内の全搭載物の搭載場所による影響を結合し、それらを一つの物として考え、中間点に集中させる。飛行最終時の搭載状態結果と同じことを達成することで、搭載物重量と搭載場所の異なる多く組み合せが可能となる。
サンプル条件5は、体重170Lbsのパイロットの代わりに221Lbsのパイロットが搭乗した場合における全備重量状態を検討したものである。荷物室内の積載重量も100Lbsの構造限界まで増加させて代入した。搭載燃料の削減が全備重量限界内に収めるために必要となる。計算結果は、この搭載条件で重心位置限界内に収まることを示している。
サンプル条件6は、サンプル条件5の時の状態から追加で最小燃料搭載状態における重心位置計算を行ったもので、重心位置は限界を超えた。サンプル条件3以降の計算は、パイロットと乗客の体重が特別な場合、それによって搭載できる積載物の最大重量を決めるために必要となるものである。この搭載状態例は、許容されない搭載条件を示めすために選定されたものであり、決め手となる手法は必要とする重心位置限界内に収めるために搭載条件を変えることである。パイロットは、FAAの要求書上に列挙された標準搭載状態文書の他にも、如何なる搭載状態でも最小燃料搭載状態における重心位置計算を行う責任がある。
サンプル条件以降では、あなたのRV−6/6Aの重心位置計算のためにも使用できるように空欄のフォームとした。標準的な搭載物の搭載場所のアームはサンプル計算例から得られる。もし、これら要素とあなたの機体が同じ条件(機内のシート位置など手を加えていない)のままならば、これらサンプル計算例の図はそのまま使用できる。サンプル計算例は代表例のみであり、あなたのRV−6/6Aのためにあなたが決めた条件とはおそらく同じではない。搭載物とパイロットや乗客の体重、そして燃料の量が同じであっても、あなたのRV−6/6Aの空虚重量時の重心位置が異なっていれば、最終的な搭載状態の重心位置は相当異なっているからである。金属製プロペラや特別に定速プロペラを使用するような機体に関するあらゆる仕様変更した際には空虚重量時における重心位置への影響を検討する。このような変更では、空虚重量時における重心位置範囲に収まるようにバッテリ−のような他の装備品の配置変更が求められる。空虚重量が増加した場合は、搭載重量を削減する;つまり、乗客の体重、燃料量(重量)または荷物の重量のいずれかを全備重量の範囲に収まるまで減らさなければならない。これは軽飛行機の製作では、当たり前のことであり、燃料満タンでパイロットと乗客が搭乗し、且つ荷物の全てを搭載できて、全備重量限界に収まることは稀なことである。
RV−6/6A 重量及び重心位置限界早見表
全備重量 1600/1650Lbs
全備重量(曲技) 1375Lbs
前方重心位置限界 15%コード(翼弦)又は主翼前縁から後方8.7in.
後方重心位置限界 29%コード(翼弦)又は主翼前縁から後方16.8in.
曲技後方重心位置限界 26.5%コード(翼弦)又は主翼前縁から後方15.3in.
RV−6 重量重心位置計算サンプル・フォーム
基準線 :主翼前縁前方60in.
設計重量重心位置範囲:15%−29%コード又は前縁から8.7−16.8in.又は基準線後方
68.7−76.8in.
主翼前縁 :基準線後方60in.
燃料 :基準線後方70in.
パイロット及び乗客 :基準線後方87.4in.
荷物 :基準線後方 117in.
機体重量計測時の水平姿勢(潤滑油8クォートを含み、燃料を含まない)
図
右主輪:基準線後方 59.5in.
左主輪:基準線後方 59.5in.
尾輪 :基準線後方236.9in.
空虚重量の算出
重量 アーム モーメント
右主輪 456 59.5 27132
左主輪 457 59.5 27192
尾輪 52 236.9 12319
合計 965 66643
重心位置=66643/965=基準線後方69.05in.(空虚重量時の重心位置)
サンプル条件1 全備重量
重量 アーム モーメント
機体 965 69.06 66643
燃料(38USガロン)228 70.00 15960
パイロット 170 87.40 14858
乗客 170 87.40 14858
荷物 67 117.00 7839
合計 1600 120158
重心位置=120158/1600=基準線後方75.1in.
(重心位置後方限界の76.8in.未満で、重心位置限界内である。)
サンプル条件2 最後方重心位置(全備重量で燃料最小搭載状態)
重量 アーム モーメント
機体 965 69.06 66643
燃料(5USガロン) 30 70.00 2100
パイロット 170 87.40 14858
乗客 170 87.40 14858
荷物 67 117.00 7839
合計 1402 106298
重心位置=106298/1402=基準線後方76.8in.
(これは重心位置後方限界で、許容される。)
サンプル条件3 最前方重心位置(標準体重パイロットのみ)
重量 アーム モーメント
機体 965 69.06 66643
燃料(38USガロン)228 70.00 15960
パイロット 170 87.40 14858
合計 1363 97461
重心位置=97461/1363=基準線後方71.5in.
(これは重心位置前方限界の68.7in.を超えており、重心位置限界内である。)
サンプル条件4 最前方重心位置(パイロットのみにおける最小必要体重)
重量 アーム モーメント
機体 965 69.06 66643
燃料(38USガロン)228 70.00 15960
パイロット 105 87.40 9177
合計 1298 91780
重心位置=91780/1298=基準線後方70.7in.
(これは重心位置前方限界の68.7in.を超えており、重心位置限界内である。)
サンプル条件5 標準体重以上のパイロットが搭乗並びに荷物を限界まで搭載し、燃料を削減して全備重量状態とした例
重量 アーム モーメント
機体 965 69.06 66643
燃料(24USガロン)144 70.00 10080
パイロット 221 87.40 19315
乗客 170 87.40 14858
荷物 100 117.00 11700
合計 1600 122596
重心位置=122596/1600=基準線後方76.62in.
(これは重心位置限界内である。)
サンプル条件6 サンプル条件5と同じで燃料最小搭載状態とした例
重量 アーム モーメント
機体 965 69.06 66643
燃料(5USガロン) 30 70.00 2100
パイロット 221 87.40 19315
乗客 170 87.40 14858
荷物 100 117.00 11700
合計 1486 114616
重心位置=114616/1486=基準線後方77.1in.
(これは重心位置後方限界である76.8in.を超えており、規定する重心位置範囲内を逸脱している。)
サンプル条件7 サンプル条件6と同じで荷物の重量を削減した例
重量 アーム モーメント
機体 965 69.06 66643
燃料(5USガロン) 30 70.00 2100
パイロット 221 87.40 19315
乗客 170 87.40 14858
荷物 87 117.00 10179
合計 1473 113095
重心位置=113095/1473=基準線後方76.78in.
(これは重心位置後方限界未満であり、荷物を13Lbs減らしただけで、飛行終了時まで重心位置は限界内を維持することができる。)
RV−6 重量重心位置計算フォーム
製造者: モデル: 製造番号:
登録番号:
基準線 :主翼前縁前方60in.
設計重量重心位置範囲:15%−29%コード又は前縁から8.7−16.8in.又は基準線後方
68.7−76.8in.
主翼前縁 :基準線後方60in.
燃料 :基準線後方70in.
パイロット及び乗客 :基準線後方87.4in.
荷物 :基準線後方 117in.
機体重量計測時の水平姿勢(潤滑油8クォートを含み、燃料を含まない)
図
右主輪:基準線後方( )in.
左主輪:基準線後方( )in.
尾輪 :基準線後方( )in.
空虚重量の算出
重量 アーム モーメント
右主輪 ( ) ( ) ( )
左主輪 ( ) ( ) ( )
尾輪 ( ) ( ) ( )
合計 ( ) ( )
空虚重量時の重心位置=( )/( )=基準線後方( )in.
条件1 全備重量
重量 アーム モーメント
機体 ( ) ( ) ( )
燃料(38USガロン) ( ) ( ) ( )
パイロット ( ) ( ) ( )
乗客 ( ) ( ) ( )
荷物 ( ) ( ) ( )
合計 ( ) ( ) ( )
重心位置=( )/( )=基準線後方( )in.
条件2 最後方重心位置(全備重量で燃料最小搭載状態)
機体 ( ) ( ) ( )
燃料(5USガロン) ( ) ( ) ( )
パイロット ( ) ( ) ( )
乗客 ( ) ( ) ( )
荷物 ( ) ( ) ( )
合計 ( ) ( ) ( )
重心位置=( )/( )=基準線後方( )in.
条件3 最前方重心位置(標準体重パイロットのみ)
機体 ( ) ( ) ( )
燃料(38USガロン) ( ) ( ) ( )
パイロット ( ) ( ) ( )
合計 ( ) ( ) ( )
重心位置=( )/( )=基準線後方( )in.
条件4 最前方重心位置(パイロットのみにおける最小必要体重)
機体 ( ) ( ) ( )
燃料(38USガロン) ( ) ( ) ( )
パイロット ( ) ( ) ( )
合計 ( ) ( ) ( )
重心位置=( )/( )=基準線後方( )in.
条件5 標準体重以上のパイロットが搭乗並びに荷物を限界まで搭載し、燃料を削減して全備重量状態とした例
機体 ( ) ( ) ( )
燃料(24USガロン) ( ) ( ) ( )
パイロット ( ) ( ) ( )
乗客 ( ) ( ) ( )
荷物 ( ) ( ) ( )
合計 ( ) ( ) ( )
重心位置=( )/( )=基準線後方( )in.
条件6 条件5と同じで燃料最小搭載状態とした例
機体 ( ) ( ) ( )
燃料(5USガロン) ( ) ( ) ( )
パイロット ( ) ( ) ( )
乗客 ( ) ( ) ( )
荷物 ( ) ( ) ( )
合計 ( ) ( ) ( )
重心位置=( )/( )=基準線後方( )in.
条件7 条件6と同じで荷物の重量を削減した例
機体 ( ) ( ) ( )
燃料(5USガロン) ( ) ( ) ( )
パイロット ( ) ( ) ( )
乗客 ( ) ( ) ( )
荷物 ( ) ( ) ( )
合計 ( ) ( ) ( )
重心位置=( )/( )=基準線後方( )in.
RV−6A 重量重心位置計算サンプル・フォーム
基準線 :主翼前縁前方60in.
設計重量重心位置範囲:15%−29%コード又は前縁から8.7−16.8in.又は基準線後方
68.7−76.8in.
主翼前縁 :基準線後方60in.
燃料 :基準線後方70in.
パイロット及び乗客 :基準線後方87.4in.
荷物 :基準線後方 117in.
機体重量計測時の水平姿勢(潤滑油8クォートを含み、燃料を含まない)
図
右主輪:基準線後方84.125in.
左主輪:基準線後方84.25in.
前輪 :基準線後方28.56in.
空虚重量の算出
重量 アーム モーメント
右主輪 369 84.125 31042
左主輪 371 84.25 31257
前輪 255 28.56 7283
合計 995 69582
重心位置=69582/995=基準線後方69.92in.(空虚重量時の重心位置)
サンプル条件1〜条件6はRV−6を参照のこと。
RV−6A 重量重心位置計算フォーム
製造者: モデル: 製造番号:
登録番号:
基準線 :主翼前縁前方60in.
設計重量重心位置範囲:15%−29%コード又は前縁から8.7−16.8in.又は基準線後方
68.7−76.8in.
主翼前縁 :基準線後方60in.
燃料 :基準線後方70in.
パイロット及び乗客 :基準線後方87.4in.
荷物 :基準線後方 117in.
機体重量計測時の水平姿勢(潤滑油8クォートを含み、燃料を含まない)
図
右主輪 基準線後方( )in.
左主輪 基準線後方( )in.
前輪 基準線後方( )in.
空虚重量の算出
重量 アーム モーメント
右主輪 ( ) ( ) ( )
左主輪 ( ) ( ) ( )
前輪 ( ) ( ) ( )
合計 ( ) ( )
空虚重量時の重心位置=( )/( )=基準線後方( )in.
RV−6の条件1〜条件6を検証のこと。