第一章飛機(jī)載重與平衡控制

1、第一章載重與平衡控制1-1爲(wèi)何需要載重與平衡影響飛機(jī)飛行安全最重要的因素是載重與平衡，一架超重的航空器或重心不 在規(guī)定範(fàn)圍之內(nèi)，是非常危險(xiǎn)而且沒有效率。在航空器設(shè)計(jì)之初，設(shè)計(jì)者暨工程 師必須將飛機(jī)的載重與平衡考量在適當(dāng)?shù)奈恢?，?dāng)航空器進(jìn)行營(yíng)運(yùn)操作時(shí)，駕駛 員及航空維修技術(shù)人員接續(xù)起此責(zé)任?，F(xiàn)代航空器運(yùn)用最佳技術(shù)和材料，使得航空器在最高速度、最大載重還能飛 行最遠(yuǎn)距離。在實(shí)際操作與維修時(shí)，必須要保持當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)與製造的效能。不同的航空器有不同的載重需求，例如：運(yùn)輸用途：?jiǎn)J負(fù)載、長(zhǎng)距離、咼咼度且咼速。軍事用途：高機(jī)動(dòng)性、高強(qiáng)度。商業(yè)用途：高速且長(zhǎng)距離、是當(dāng)?shù)刎?fù)重。農(nóng)業(yè)用途：大負(fù)載、短距離、機(jī)動(dòng)性高和容

2、易操作。 訓(xùn)練及私人用途：重量輕、低價(jià)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易操作且安全係數(shù)高。如果不考慮航空器的個(gè)別差異，有兩種共通的特性需考慮，一是對(duì)重量的限 制，一是對(duì)重心的範(fàn)圍必須侷限於規(guī)定之範(fàn)圍內(nèi)。前者在航空器設(shè)計(jì)之初就決定 最大重量(maximum weight)，所有航空器最大授權(quán)重量及設(shè)備列表都在都根據(jù)機(jī) 型認(rèn)證資料表(TCDS-Type Certificate Data Sheets )，依照操作時(shí)的狀況，機(jī) 翼或旋翼所能提供升力之大小，決定航空器起飛重量，此外航空器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也會(huì) 限制飛行安全的最大重量，理想重心的位置及重心所能移動(dòng)的最大範(fàn)圍，都是經(jīng) 過設(shè)計(jì)者精心計(jì)算。所謂重心(center of

3、gravity,CG)可視為飛機(jī)上某一點(diǎn)，將飛機(jī)在空中懸掛起會(huì) 保持水平平衡姿態(tài)，通常我們計(jì)算飛機(jī)重心是利用下列公式：飛機(jī)重心(從參考線算起)=飛機(jī)總力矩 飛機(jī)總重製造廠商會(huì)提供航空器空重及空重重心的位置，所謂空重(empty weight)是指機(jī)身、發(fā)動(dòng)機(jī)及其它安裝在飛機(jī)上固定或永久性設(shè)備重量之和，空重重心就 是上述設(shè)備的水平平衡點(diǎn)。航空維修技術(shù)人員在維修航空器或操作維修檢查工作 要記錄最新的載重與平衡資料，尤其是經(jīng)過修理(repairs或變更(alterations)，更要記錄其變化。在每一次飛行前駕駛員要知道航空器最大容許總重，及重心限制。因此在駕 駛員飛行檢查前，就要知道飛機(jī)的負(fù)載及重

4、心有無(wú)在限制範(fàn)圍之內(nèi)。在航太科技 進(jìn)步的同時(shí)，載重與平衡的技術(shù)因航空器的容量、效能及發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)目的增加而日 漸繁雜，因此需要駕駛員與飛機(jī)維修技術(shù)人員，知道並瞭解載重與平衡控制，如 何操作和維持航空器重量重量和重心的位置，或者在重心範(fàn)圍之外，如何調(diào)整貨 物以矯正重心回復(fù)至允許範(fàn)圍內(nèi)。1-2 載重控制 重量是飛機(jī)在結(jié)構(gòu)與操作的最重要參數(shù)，過重會(huì)讓航空器降低效能、緊急情 況時(shí)增加危險(xiǎn)係數(shù)。設(shè)計(jì)航空器經(jīng)常是以最輕材質(zhì)、最高強(qiáng)度為主，機(jī)翼或旋翼 是設(shè)計(jì)可支持最大容許總重，若航空器重量繼續(xù)增加，那麼機(jī)翼或旋翼必須增加 額外的升力，機(jī)身結(jié)構(gòu)除了靜態(tài)的重量增加，還有飛行操縱之際的加速度所造成 的動(dòng)態(tài)負(fù)載增加。例

5、如 3000磅的航空器水平飛行 ，機(jī)翼提供之升力就是 3000磅， 若以傾斜 60 度急速轉(zhuǎn)彎，飛機(jī)動(dòng)態(tài)負(fù)載所瘦之力就是 6000磅。劇烈的不協(xié)調(diào)動(dòng)作或飛進(jìn)擾動(dòng)氣流之內(nèi) ，同樣會(huì)讓結(jié)構(gòu)受到動(dòng)態(tài)負(fù)載的衝擊， 嚴(yán)重時(shí)足以產(chǎn)生失效 ，正常情況的動(dòng)態(tài)負(fù)載設(shè)計(jì)其負(fù)載因子是可承受飛機(jī)總重的 3.8 倍，多用途種類的航空器在操作時(shí)需要支持負(fù)載因子至 4.4，特技表演飛機(jī)甚 至強(qiáng)度必須支撐結(jié)構(gòu)至負(fù)載因子 6.0。升力的產(chǎn)生是來(lái)自翼切形形狀、攻角角度、相對(duì)風(fēng)的速度和空氣的密度，航 空器從高的密度高度 （壓力高度以非標(biāo)準(zhǔn)溫度做矯正） 機(jī)場(chǎng)起飛，需要的速度將 會(huì)比在海平面高度之機(jī)場(chǎng)起飛速度更快，才會(huì)有足夠的升力，暗

6、示著跑道長(zhǎng)度要 增加，比一般所用到的跑道距離要更長(zhǎng)，這時(shí)候要查駕駛員操作手冊(cè)或飛機(jī)飛航 手冊(cè)查閱在此種高度、溫度、風(fēng)向、風(fēng)速和的跑道情況，所能允許最大重量是多 少。1-3載重影響 大部分現(xiàn)代飛機(jī)都是設(shè)計(jì)讓航空公司有一些彈性空間 ，如果將飛機(jī)座位全部 坐滿，行李艙塞滿行李，所有油箱加滿燃油，那麼航空器一定就會(huì)超重。這種類 型的設(shè)計(jì)理念在於此次飛行的目的何在？最大距離或最大載重？如果最大距離 是必須的，捨棄人員與行李的重量來(lái)達(dá)成目標(biāo)。如果要求最大載重，那麼機(jī)上的 燃油量會(huì)減少，飛行距離也會(huì)縮短。航空器超重將引起以下一些問題：航空器需要更大起飛速度，表示需要更長(zhǎng)的跑道距離。 降低爬升率、爬升角度。*

7、降低實(shí)用升限（service ceiling ,實(shí)用升限是指標(biāo)準(zhǔn)大氣情況維持每分鐘 100呎之穩(wěn)定速率爬升，可達(dá)到的最大高度。*降低巡航速度*所短巡航距離。*機(jī)動(dòng)性或靈敏度降低。*著陸速度變高，增加著陸跑道長(zhǎng)度。*超重將衝擊結(jié)構(gòu)，引起損傷，尤其是起落架。駕駛員操作手冊(cè)或飛機(jī)飛航手冊(cè)都有相關(guān)圖表供參考 ，指示重量與飛航性能 的關(guān)係，提出飛行前計(jì)畫時(shí)，要參考這些圖表決定飛機(jī)載重，期使飛行計(jì)畫能安 全達(dá)成。1-4 改變重量最大允許總重在設(shè)計(jì)之初已經(jīng)決定 ，實(shí)際操作時(shí)最大的操作重量一定少於最 大允許重量，如剛才所提的高密度高度機(jī)場(chǎng)起飛，或起飛機(jī)場(chǎng)與著陸機(jī)場(chǎng)的跑道 長(zhǎng)度，都與重最大起飛重量有關(guān) ，或者跑

8、道情況異常 ，如潮濕草地 、跑道積水等。另一個(gè)重要因素是飛行前航空器載重的分佈情形 ，裝載時(shí)保持重量低於最大 允許總重還不夠，重心須在重心限制範(fàn)圍之內(nèi)，可由駕駛員操作手冊(cè)或飛機(jī)飛航 手冊(cè)內(nèi)查到相關(guān)係數(shù)。當(dāng)重心太前面，可分配較重之乘客到較後面的位置，或?qū)⑿欣?、貨物移?dòng)到 後艙，如果重心是太後面同樣地方式，將較重的旅客、行李、貨物移到前貨艙。 然由裝載要保持橫向平衡（bala need laterally飛機(jī)機(jī)翼保持水平的傾向），駕駛 員與飛機(jī)維修技術(shù)人員必須詳讀駕駛員飛行手冊(cè)及航空器飛航手冊(cè) ，確記保持航 空器平衡。直昇機(jī)的載重與平衡比起一般航空器更為嚴(yán)謹(jǐn)，在起飛時(shí)須適當(dāng)?shù)呢?fù)載，遇 到長(zhǎng)途飛行的

9、最後旅程，或是油箱燃油即將用盡時(shí)，直昇機(jī)的重心將會(huì)超出橫向 或縱向重心範(fàn)圍。所以在做直昇機(jī)長(zhǎng)途飛行計(jì)畫要考慮著陸問題，要再度檢查確 認(rèn)，若是燃油用盡重心有無(wú)在死許範(fàn)圍之內(nèi)。航空器越小越需要考慮座位問題，不管是前後座位或左右相鄰座位，一旦有 分配座位且考慮重心因素後，乘客必須按照分配之座位而坐。航空器飛行時(shí)間久了，重量將逐漸增加，在看不到的地方或難以清除、打掃 的，都會(huì)累積垃圾、污泥、灰塵等，隔離的座艙內(nèi)吸收濕氣，累積這些小重量久 了回逐漸影響航空器的平衡。此外，改變固定的設(shè)備位置，變更或增加新設(shè)備，都是影響航空器最主要因 素，許多航空器增加額外儀表及新型通訊設(shè)備而超重，不過很幸運(yùn)地，即使儀表

10、增加或新增通訊儀器，但在淘汰舊儀器的過程之中，新式的儀器都是非常精巧且 重量輕，足可彌補(bǔ)重量的損失。但我們注意的重點(diǎn)在重心位置的改變，總重的變 化。修理與變更航空器亦是另一主要因素 ，此項(xiàng)動(dòng)作由飛機(jī)維修技術(shù)專門人員實(shí) 施，執(zhí)行完要計(jì)算新的重心及記錄新的空重、新的空重重心。飛機(jī)維修積數(shù)人員實(shí)施年度或 100 小時(shí)檢查必須確認(rèn)載重與平衡資料是最 新且最正確，讓駕駛員得以使用新數(shù)據(jù)作載重與平衡計(jì)算。1-5穩(wěn)定與平衡控制 航空器之平衡控制是仰賴重心位置 ，在飛行之中決定是否安全的主要因素， 就是航空器的穩(wěn)定。只要重心點(diǎn)飛行時(shí)都在重心範(fàn)圍之內(nèi) ，即是一次安全的飛行 。 橫向與縱向穩(wěn)定（飛機(jī)俯仰平衡之力）

11、一樣重要，在探討飛機(jī)載重與平衡，主要 是討論縱軸（從機(jī)首到機(jī)尾）穩(wěn)定平衡。飛機(jī)設(shè)計(jì)成穩(wěn)定飛行，保持直線、水平地飛，通過調(diào)整負(fù)載使駕駛員鬆手時(shí) 亦能保持平穩(wěn) 。調(diào)整方式是設(shè)定重心稍微在升力中心之前 ，產(chǎn)生一個(gè)與空速無(wú)關(guān) 、 讓機(jī)首向下的力，若水平尾翼是設(shè)計(jì)成下反角，空速增加時(shí)產(chǎn)生一個(gè)使飛機(jī)向下 的力，那麼這時(shí)候飛機(jī)就會(huì)平衡。遇到上升氣流引起機(jī)首向上，飛機(jī)速度變慢，尾翼向下之力也跟著降低。集 中在重心點(diǎn)的力會(huì)拉飛機(jī)回復(fù)平衡。如果機(jī)首是在飛行之中往下降，空速將會(huì)增 加，空速增加帶動(dòng)尾翼下反角往下之力隨之增加，同樣使飛機(jī)回復(fù)平衡。只要重心維持在中心限度範(fàn)圍內(nèi)，飛機(jī)就會(huì)有充分的縱向穩(wěn)定和控制，如果 重心

12、太後面，太靠近升力中心，飛機(jī)飛行將不穩(wěn)定，而且很難從失速（stall ）回復(fù)，這樣的飛機(jī)進(jìn)入失速螺旋，將無(wú)法回復(fù)平飛姿態(tài)。重心太前面，下反角機(jī)尾要維持飛機(jī)水平飛行，負(fù)載就會(huì)增加，這樣增加機(jī) 尾負(fù)載如同在飛機(jī)上增加載重，飛機(jī)飛行就要用高攻角飛行，阻力會(huì)大增，若重心非常地往前，尾翼升降舵將失去作用，毫無(wú)轉(zhuǎn)寰餘地，甚至失效。更嚴(yán)重的問 題在於低速起飛時(shí)，升降舵不能產(chǎn)生足夠升力讓飛機(jī)起飛，著陸時(shí)無(wú)法使飛機(jī)平 飛，兩者都使所需要的跑道長(zhǎng)度增加。現(xiàn)代的高性能軍用戰(zhàn)鬥機(jī)是增加中性縱向穩(wěn)定性，一般是處?kù)段ｋU(xiǎn)的操縱狀 態(tài)，應(yīng)用自動(dòng)駕駛的快速反應(yīng)才能操作?；镜娘w機(jī)設(shè)計(jì)會(huì)以橫向?qū)ΨQ存在，飛 機(jī)以中心線分左右兩邊（或船尾線），左邊增加重量，右邊要有相對(duì)應(yīng)重量的項(xiàng) 目才會(huì)平衡。橫向平衡會(huì)遭不當(dāng)?shù)娜加脱b載、不對(duì)稱的燃油消耗破壞，在計(jì)算載 重與平衡時(shí)，通常都沒有計(jì)算橫向平衡，不過駕駛員要意識(shí)到橫向不平衡所帶來(lái) 不利的影響，可用副翼配平片矯正，直到在較重那一邊燃油消耗到兩邊平衡為止。 副翼配平片的偏移會(huì)使較重一邊得到額外的升力補(bǔ)償，同時(shí)與產(chǎn)生額外的阻力， 飛機(jī)飛行也就沒有效率。直昇機(jī)的橫向平衡影響比飛機(jī)更嚴(yán)重，將重的貨物、乘客或燃油放在同一邊， 回會(huì)導(dǎo)致重心偏離限制，飛行時(shí)不穩(wěn)定