飛行機の重量とバランス

基礎知識

このレッスンでは機体に係る重さとバランスを理解し、計算できるようになるための各要素を紹介します。基本的に、機体の重量とバランスは、許可された制限内に収まるよう設定します。操縦士は、安全な制限内での重量を維持し、機体の制御を維持するために荷重の分散でバランスを取る必要があります。

用語

• 参照データム（RD:Reference Datum） – バランスを保つために測定されたすべての水平距離からの仮想垂直平面
  • データムは、製造元が選択した任意の場所に配置できる
  • 一般的な場所は、ノーズ、エンジンのファイアウォール（防火壁）、翼の先端、ノーズ直前の位置がある
• 支点（Station） – 航空機の機体上の位置。通常、参照データムからの距離で指定される
• アーム（Arm） – 物体のデータムから重心までの水平距離（通常はインチ単位で計測）
  • 参照データムより手前のアームは負の値で表され、参照データムより後ろのアームは正の値で表される
    • 参照データムがノーズの前にある場合、すべてのアームは正の値となる
• モーメント（Moment） – オブジェクトを回転させる、または回転させようとする力のこと
  • これは、ある物体の重さをその腕で掛けた積の値で、ポンドインチの単位で表される
• モーメントインデックス（Moment Index） – 書類など記載の際にモーメントの桁数を短く表示させるために、もとのモーメントを100や1000などで割った値
• 重心（CG） – ヤジロベエよろしく、機体がある支点でバランスを保って制止した場合、その点を重心という
  • CGとRDとの距離は、合計モーメントを総重量で割って求める
• CG限界（CG Limits）–機体を重み付けで操作する必要がある極端な（前方/後方）CG位置のこと
• 使用可能な燃料 – 飛行計画に使用できる搭載燃料のこと
• 使用不可な燃料 – 飛行中安全に使用できない、または地上で排出できないタンク内の残留燃料のこと
• 基本空重量 – 基本となる機体重量のことで、オプション機器、使用不可な燃料、およびすべての動作流体（エンジンオイルを含む）の重量を加算されて表される
• ペイロード – 乗組員/乗客の重量、貨物や荷物など
• 有効な荷重 – 離陸重量（または適用可能な場合はランプ重量）と基本空重量の差
• 最大ランプ重量 – 地上操作用に承認された最大重量のこと（エンジンスタート、タキシング、ランアップ時に使用する燃料分の重量も含む）
• 最大離陸重量 – 離陸に対して承認された最大重量のこと
• 最大着陸重量 – 着陸時のタッチダウンを想定して承認された最大重量のこと
• 最大ゼロ燃料重量 – 使用可能な燃料を除く最大重量のこと
• 標準重量 – 重みとバランスの計算で多数のアイテムに対して設定される
  • 燃料 – 6ポンド；ジェット燃料 – 7ポンド；石油 – 7.5ポンド；水 – 8.35ポンド（1ガロン当たりの重量）

重量＆飛行パフォーマンス　

重量＆飛行パフォーマンス

• 総重量を大きくすると、次のようになる
  • 離陸速度の増加、離陸距離の増加、上昇率と上昇角度の低下、最大高度の低下、飛行距離の低下、操作性の低下、失速速度の増加、進入と着陸速度の増加、着陸距離の増加、ノーズまたはテイルホイール重量の超過
  • 上昇と巡航パフォーマンスが低下し、次のような状況が発生してしまう；
    • 上昇操作でのオーバーヒート、エンジンの摩耗の増加、燃料使用量の増加

重量＆構造

• 過負荷による機体構造へのダメージは壊滅的な影響を与える可能性があるが、一方で徐々にダメージが蓄積されていった場合は、それによる異常個所の検出や修復が困難になることがよくある
• 飛行機は、航空機の種類に応じて、一定の荷重に耐えることが認定されている
  • 総重量とロードファクターが制限値が見られる際は、合計負荷は制限内にとどまります
  • 総重量の最大値を超えた場合、負荷率がロードファクター制限内であっても機体構造に損傷を引き起こす可能性がある
• 度重なるオーバーロードは、後々の通常操作中に何かしらの不具合を引き起こす場合がある

重量＆安定性

• 安定して操作性の良い機体がひとたびオーバーロード状態になった際、その特性は大きく異なる場合がある
  • 重量分布は最も効果的だが、総重量は安定性に悪影響を及ぼす
• 前方搭載の飛行機
  • 「重く」また同型機よりも遅くなり、CGの位置も大きく後方になってしまう
    • その場合は機首上げのトリムが必要になってくる。尾翼（Tail）表面がより大きなダウンフォースを生成し、翼にかかる荷重が増加し、結果として総揚力の必要量を増加させる。
  • 高い迎角AOAを必要とするため、抗力が増え、失速速度が速くなる
  • 飛行機の制御性が高くなる（CGの腕が長いほどエレベーターの効果が大きくなる）
• 後方搭載の機体
  • より少ないダウンフォースで高速な巡航速度を実現
  • 抗力の低下（AOAの小型化とスタビライザー効果の減少）による高速巡航
    • 尾翼表面のダウンフォースが減少し、翼にかかる荷重とそう揚力の必要量が軽減される
      • 失速速度が遅くなる
      • 失速速度は遅くなるが、CGが後方に動くにつれ、失速からの回復が徐々に難しくなる（より下回る）

重心＆横安定

• 偏った横荷重（航空機の中心線の右側または左側の重みが大きい）が、悪影響を及ぼす可能性がある
  • これは、次の原因で発生する可能性がある。燃料、乗組員、荷物等の不均衡な搭載
• トリム（使用可能な場合）または一定の操作入力による制御圧力で不均衡を補正する
  • 航空機を空気の流線から外れた状態にし、抗力を増やし、効率を下げてしまう

重量＆操作性

• 一般に、CGが後方に動くにつれ、飛行機の操作性が低下する
  • エレベータは短いアームを持ち、同じ結果を得るにはより大きな偏向の効果が必要になる
  • 機体のピッチダウン傾向が減少するため、失速回復操作はより難しくなる
    • CGが後方限界位置を超えると、失速とスピンからの回復が不可能になる
• CGが前方に進むにつれ、飛行機の機首側がより重くなっていく
  • エレベーターで、特に低速時（離陸、着陸、滑空）では、ノーズを持ち上げることができなくなる可能性がある
    • 着陸の際は、フレア時、エレベーターがノーズギアを持ち上げるのに十分な力を生み出せない場合がある。極端な場合、安全な着陸は不可能になる

重量 & バランスコントロール

操縦士は重量とバランスの管理を担当する

• フライトマニュアルで承認された方法とチャートを使用する
  • 製造元の重量とCGの範囲を超えないこと
• 重量バランスの条件を決定する方法は、次のとおり
  • CG計算；CGグラフ；CGテーブル

重量＆バランスの決定

重心 = 全モーメントを全重量で割る

• 基本空重量から始めて、飛行機に搭載される全重量物のリストを作成する
  • 人、物、燃料（すべての重さにも注意）
  • 搭載対象の総重量が最大重量制限内にあることを確認する
    • 総重量が重すぎる場合は、品目/人数を減らして重量制限内に収めること

それぞれのアームモーメントを計算する

• モーメントを見つけるには、グラフを使用するか、POH記載の重量にアームを掛け算する
  • AFMに用意されている方法を使用
  • 基本空重量/モーメントは、重量とバランスの文書に記載されている

重心計算 – (合計モーメント / 合計重量)

• DA20の場合は、補足4のグラフで「合計重量」と「合計モーメント」を比較する
  • 補足4のグラフを使用して、飛行機が制限内かどうかを判断すること

重量変化と、または重心移動

M1 & W1 はオリジナルのモーメント＆重量

• 重量を追加すると、+モーメントの変化が生じる（削除された場合は–のモーメント ）
• 後方に移動した重量が+モーメントの変化を引き起こす（前方に移動した重量が–モーメントの変化を引き起こす）
  • 重量の移動はモーメントのみを変化させる（重量事態に変化はないから）
    • 例：飛行機の重さは6,230ポンドで、CGは79.0インチの位置である。87.0インチの位置にある燃料を50ガロン（300ポンド）消費した後のCGの位置は？
    • 例：飛行機は3,000ポンドで離陸。CGは支点のある60インチの位置。離陸後、25ガロン（150ポンド）の燃料が消費された。燃料タンクのCGは支点65インチの位置である。離陸後、200ポンド。支点50インチから90インチに移動の際、CGはどう変化する？
    • 例：飛行機の総重量は10,000ポンド。500ポンドの積み荷が50インチだけ位置をずらされる。CGはどれくらい移動変化するのか？

完成基準

訓練生は、重量とバランスに関する要因と、それが機体の制御、安定性、性能に及ぼす影響を理解しています。また、特定の状況に対する体重とバランスを計算し、必要に応じて調整することもできます。

成功のポイント

重量とバランスは飛行に大きな影響を与えるので、毎飛行前に機体バランスを正しく保つことが非常に重要です。

本レッスンの各項目をレビューすること

1. 重量とバランス条件について
2. 重量とバランスがパフォーマンスに及ぼす影響について
3. 重量とバランスの制御の方法について

参考資料

• FAA-H-8083-1
• FAA-H-8083-3
• FAA-H-8083-25
• POH/AFM