飛機(jī)的載重平衡與重量重心的獲取

【摘 要】保證飛機(jī)的安全飛行，需要控制飛機(jī)的載重平衡。要實(shí)現(xiàn)對飛機(jī)的載重平衡的有效控制，必然需要準(zhǔn)確獲取和把握飛機(jī)的重量重心數(shù)據(jù)。如何才能準(zhǔn)確的獲取相關(guān)數(shù)據(jù)？除了需要對飛機(jī)的載重平衡及稱重方法有明確的認(rèn)識(shí)以外，應(yīng)規(guī)定稱重時(shí)的飛機(jī)狀態(tài)和規(guī)范稱重時(shí)的機(jī)載物品，這樣才能更加準(zhǔn)確的獲取飛機(jī)的重量重心數(shù)據(jù)。

【關(guān)鍵詞】載重平衡；平均氣動(dòng)力弦；重心；站位與力臂；力矩平衡

0 引言

眾所周知，飛機(jī)是靠空氣動(dòng)力學(xué)原理飛上天的。要保證飛機(jī)在運(yùn)行過程中姿態(tài)的穩(wěn)定，飛行員能夠從容、靈活的操控飛機(jī)，做好飛機(jī)的載重平衡工作是重要保障。

1 載重平衡的意義

飛機(jī)載重平衡影響飛行員對飛機(jī)姿態(tài)的控制，同時(shí)也影響飛機(jī)的燃油消耗，因而對飛行安全和經(jīng)濟(jì)效益都有直接的影響。舉例來說，如果飛機(jī)重心過于靠后，在飛機(jī)起飛離地時(shí)，可能造成飛機(jī)尾部擦地，影響飛行安全。如果飛機(jī)的重心過于靠前，在起飛時(shí)，就需要飛行員更大的拉桿角度、更大的推力以保證足夠的升力，也就需要消耗更多的燃油，對經(jīng)濟(jì)性造成影響。另外，特定型號(hào)的飛機(jī)，其所能承載在的重量是一定的，超過了規(guī)定，會(huì)對飛機(jī)的結(jié)構(gòu)造成損傷，后果可想而知。對于這些情況，如果提前獲取了飛機(jī)重量重心數(shù)據(jù)，就可以通過控制貨艙載貨量；調(diào)配貨物放置；有針對性安排旅客座次；機(jī)組將相關(guān)信息輸入飛行管理計(jì)算機(jī)，獲得建議的起飛安定面設(shè)置等手段進(jìn)行提前修正，降低飛行的盲目性。

2 重量重心的控制方法

與飛機(jī)載重平衡控制直接相關(guān)的數(shù)據(jù)就是飛機(jī)的重量和重心。因此，應(yīng)當(dāng)有效控制飛機(jī)的重量重心并掌握其變化情況。

通常有兩種方法來實(shí)現(xiàn)控制：一是，在飛機(jī)的運(yùn)營過程中，持續(xù)對改變飛機(jī)的重量重心的因素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并隨時(shí)修正，確保當(dāng)前數(shù)據(jù)真實(shí)有效；二是，對飛機(jī)進(jìn)行稱重，獲取飛機(jī)的重量重心。

新飛機(jī)在交付時(shí)，廠家都會(huì)對飛機(jī)進(jìn)行稱重，獲取飛機(jī)的重量重心。在之后的投入運(yùn)營過程中，飛機(jī)的空機(jī)重量重心會(huì)隨著灰塵積聚、修理改裝、部件更換、構(gòu)型改變等有所改變。有些改變是可控甚至可忽略的。有些改變是可量化的，例如改裝，往往會(huì)給出其造成的重量重心改變數(shù)據(jù)。這時(shí)，對原有數(shù)據(jù)進(jìn)行修正即可。這種情況，只要做好統(tǒng)計(jì)，就能監(jiān)控飛機(jī)的重量重心變化。

有些改變是無法準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)的，如飛機(jī)重新噴漆。另外，長期微小改變的累積，也是不可忽略的。這時(shí)就需要通過稱重來獲取。我國民航局規(guī)定的飛機(jī)的稱重周期為36個(gè)月。飛機(jī)稱重工作通常由有資質(zhì)的航空公司或委托維修單位執(zhí)行。

上述兩種方法得到的都是飛機(jī)的空機(jī)數(shù)據(jù)。再交由航空公司運(yùn)行部門綜合飛機(jī)計(jì)劃添加的燃油量、載客量、航食、行李、貨物等信息，得出最終的飛機(jī)配載結(jié)論，從而保障飛機(jī)的安全飛行。

3 稱重原理

飛機(jī)稱重工作，依據(jù)的是物理學(xué)力矩平衡原理。因飛機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)，即順時(shí)針轉(zhuǎn)矩和逆時(shí)針轉(zhuǎn)矩的合力矩為零。即-W*M+F1*M1 +F2*M2=0或M=（F1*M1+F2*M2）/W （圖1），即重心=總力矩/總重量。

4 平均氣動(dòng)力弦與飛機(jī)重心

飛機(jī)載重平衡，其實(shí)質(zhì)是研究飛機(jī)自重與升力之間的關(guān)系。由于飛機(jī)的升力主要來自于大翼，而大部分民航客機(jī)的大翼外形為根梢比大于1的類梯形不規(guī)則形狀，不便于對飛機(jī)升力的數(shù)學(xué)分析。為了更準(zhǔn)確判定飛機(jī)重心與飛機(jī)升力在大翼上的作用點(diǎn)之間的縱向位置關(guān)系，需要先了解一個(gè)概念，即飛機(jī)的平均氣動(dòng)力弦。與實(shí)際機(jī)翼面積相等，氣動(dòng)力矩特性相同的當(dāng)量矩形機(jī)翼弦長即為平均氣動(dòng)力弦弦長（縮寫為MAC）。即平均的大翼弦長。是將不規(guī)則的大翼假想成翼弦長度相等的矩形（圖2）。通過控制飛機(jī)重心在平均氣動(dòng)力弦上所處的位置，實(shí)現(xiàn)對飛機(jī)的載重平衡控制。

重心位置通常有三種表征形式：一是，重心到平均氣動(dòng)力弦前緣的縱向距離與平均氣動(dòng)弦長的占比（圖2）；二是，重心到飛機(jī)基準(zhǔn)面的縱向距離（即力臂）（圖3）；三是，基本空重指數(shù)，即純粹為了方便使用，而人為通過常數(shù)修正得到的一個(gè)正的數(shù)值的重心表達(dá)形式。

5 機(jī)身站位與平衡力臂的關(guān)系

如上所述，飛機(jī)重心的力臂值即為到基準(zhǔn)面的縱向距離。這里需要區(qū)分兩個(gè)概念：機(jī)身站位與平衡力臂。不應(yīng)將這兩者混淆。機(jī)身站位是為了便于對飛機(jī)上的部件、結(jié)構(gòu)或區(qū)域進(jìn)行定位而建立的基準(zhǔn)系統(tǒng)；飛機(jī)的力臂是屬于載重平衡范疇的概念，飛機(jī)整體、局部或者任一部件均可對應(yīng)一力臂值。平衡力臂的數(shù)值不一定和此處的機(jī)身站位值相同。因?yàn)閷儆诓煌懂牐瑱C(jī)身站位的零基準(zhǔn)面和飛機(jī)平衡力臂的零基準(zhǔn)面也沒有直接關(guān)系，有時(shí)重合，如空客A320系列飛機(jī)；有時(shí)不同，如737系列飛機(jī)。

6 常被采用的稱重方式

通常的稱重方式有平臺(tái)式和頂升式兩種，兩種稱重方式各有利弊。

平臺(tái)式為借助拖車、拖桿將飛機(jī)拖到若干個(gè)稱重平臺(tái)上，從各平臺(tái)上讀取的重量的和即為飛機(jī)總重。此方式的好處為飛機(jī)未脫離地面，相對比較安全；而其弊端為需要使用拖車，需要足夠大的場地，需要借助測量工具進(jìn)行輔助數(shù)據(jù)獲取等，綜合誤差相對大些。

頂升式為傳感器型頂升稱重儀與千斤頂配合使用，將飛機(jī)頂起獲取重量重心的一種方法。好處為所需工作場所較小，設(shè)備精度較高，人為誤差較小；弊端為存在千斤頂頂頭脫出，損傷飛機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。應(yīng)謹(jǐn)慎操作。

7 稱重時(shí)的注意事項(xiàng)

飛機(jī)生產(chǎn)廠家通常都提供了推薦的稱重方法、工作步驟和要求。在具體的實(shí)施過程中，需要注意如下方面，以提高稱重結(jié)果的準(zhǔn)確性：

1）注意排放燃油時(shí)飛機(jī)的姿態(tài)設(shè)置。飛機(jī)稱重所獲取的結(jié)果為飛機(jī)的空重。所謂的空重，為飛機(jī)無燃油、無負(fù)載狀態(tài)下的重量。所謂“無燃油”，確切的說，是僅包含不可用燃油。稱重前，通過第一步抽油和第二步用重力放沉淀方式從油箱底部的排放口排空油箱內(nèi)的燃油。但事實(shí)上此時(shí)油箱內(nèi)還殘留有不可排放的燃油。飛機(jī)調(diào)整的姿態(tài)不同，油箱內(nèi)殘留的燃油量就會(huì)不同，動(dòng)輒有幾十公斤的差距，對稱重結(jié)果影響很大。所以，一定要按照廠家要求，將飛機(jī)調(diào)整到規(guī)定的姿態(tài)后，完成燃油排放，才能獲得更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

2）機(jī)載物品要規(guī)定清楚。稱重時(shí)，要明確知曉飛機(jī)的整體狀態(tài)，包括飛機(jī)自身的狀態(tài)和機(jī)上物品配備情況。

飛機(jī)自身狀態(tài)包括燃油情況、各項(xiàng)勤務(wù)（液壓油、滑油、水、氣等）完成情況、各舵面位置、座椅情況等。這些通常都和飛機(jī)生產(chǎn)廠家規(guī)定保持一致。

而機(jī)上物品配備，如機(jī)載資料、應(yīng)急物品、松散物品、航食、行李等，則由于不同國家的規(guī)定不同、航空公司控制方式不同、飛機(jī)的用途不同等原因，配備形式不盡相同。因此，機(jī)上物品配備通常由航空公司自行規(guī)定。舉例來說，航空公司可能對跨海飛行的飛機(jī)標(biāo)配了救生筏，就可以規(guī)定，這些飛機(jī)在稱重時(shí)，救生筏在位。對于公務(wù)機(jī)來說，某些物品可能是自行配備并長期放置在飛機(jī)上的非消耗品，則完全可以規(guī)定其作為飛機(jī)空重的一部分。

某項(xiàng)機(jī)載物品是否計(jì)入飛機(jī)空重，航空公司應(yīng)加以明確。建議航空公司給機(jī)隊(duì)的每架飛機(jī)或者同類別飛機(jī)制作適用于該（類）飛機(jī)的機(jī)載物品的名目、數(shù)量及安裝位置（最好是圖示），附在稱重工卡后面。這樣方便了稱重工作時(shí)物品的清點(diǎn)，也使稱重結(jié)論更加明確。同時(shí)，也便于在統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)下，掌握飛機(jī)的重量變化規(guī)律。

3）獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。飛機(jī)的整個(gè)稱重過程中，會(huì)涉及到數(shù)值、長度、位置的讀取，應(yīng)盡量讀取穩(wěn)定讀數(shù)，使用精度高、分度值小的儀器，減小人為誤差。

4）重量重心數(shù)據(jù)需要進(jìn)行公式計(jì)算，稱重報(bào)告通常使用EXCEL等軟件制作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算功能。在加強(qiáng)審核的前提下，可以使報(bào)告的生成更加準(zhǔn)確、便捷。

8 結(jié)束語

飛機(jī)是有一定的允許的重量重心變化范圍的，運(yùn)行部門實(shí)施配載也是有一定裕度的。但這絲毫不影響獲取準(zhǔn)確重量重心數(shù)據(jù)的重要性。只有獲取了準(zhǔn)確的第一手?jǐn)?shù)據(jù)，才能為后續(xù)的飛機(jī)的載重平衡控制提供支持，為飛機(jī)的安全飛行提供保證。

【參考文獻(xiàn)】

[1]Weightg and balance control and loading manul， Boeing Document No. D043A530[Z].

[2]AC-121-FS-2009-27 航空器的重量與平衡控制[Z].

[3]FAA-H-8083-1A Aircraft Weight and Balance Handbook[Z].2007.

[責(zé)任編輯：謝慶云]