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✈ 비행과 공부/비행이론

Weight and balance. CG와 Weight 의 변화에 따라서

by 하고싶은게비행 2020. 6. 21.

안녕하세요.

하고싶은게 비행✈ 인 사람입니다. 

 

엘리베이터를 탈 때 보면

최대적재하중 이라는 말이 나옵니다. 

왜 그런 것들이 있을까요? 

 

가장 큰 이유는 안전하게 해야되기 때문이겠죠? 

 

비행에서도 이런 Weight 는 중요합니다. 

 

Weight and Balance 에 사용되는 기본적인 용어와

비행기에 어떤 영향을 주는지

그리고 물건의 이동에 따른 변화는 어떻게 계산해 낼 수 있는지를 알아보겠습니다. 

 


1. FAR 91.103 Preflight actions

Each pilot in command shall, before beginning a flight, become familiar with all available information concerning that flight.

FAR 91.103 에 보면 비행 전에 비행에 필요한 가능한 모든 정보에 익숙해져 있어야 한다.

라고 이야기 하고 있습니다. 

보통 91.103 을 NWKRAFT 라고 많이 알고 있습니다. 

비행 전 PIC 는 최소 아래의 것들을 포함한 정보들을 알고 있어야 합니다. 

Notam

Weather

Known ATC delays

Runway lengh

Alternate airport

Fuel requirement

Take off distance

 

2. 디자인부터 PIC 에게로 오기까지 (W&B 1-2)

디자이너는 aircraft 를 만들 때 Lift를 기반으로 하며

여기에 The structural strength 를 더해

Max weight 를 정하게 됩니다. 

그 후 Range of CG 를 정하게 됩니다. 

 

그 후 비행기를 만드는 곳에서는

비행기를 만든 후

The empty weight 와 EWCG (empty weight center of grafity) 를 기재하여

비행기를 사용하게 될 사람에게 전달하게 됩니다

 

FAA certificated mechanic 은 비행기의 수리나 부품설치 등을 하여 생기는

weight 와 CG의 변화를 꾸준히 기록하게 됩니다. 

 

PIC 의 경우

모든 비행에서

비행하게 될 비행기가 Weight 와 CG가 Limit 안에 들어가는지를 확인하게 됩니다. 

이것은 PIC 의 책임입니다. 

3. 용어정리

a. CG (center of gravity)

: The point at which an a/c would balance if it were possible to suspend it at that point.

어떤 물체를 어떤 뾰족한 점 위에 올려뒀을 경우 균형을 유지할 수 있는 곳입니다. 

 

b. Datum (Reference datum)

: An imaginary vertical line from which all measurements of arm are take.

Weight and Balance 를 작성할 때 기록을 위한 Arm 을 구할 때 기준이 되는 지점입니다. 

Cessna 172s 의 경우 Firewall 을 datum 으로 사용하지만 Arrow 의 경우는 그렇지 않습니다 .

그렇기 때문에 정의를 살짝 바꾼다고 하면 

A reference baseline or point from which measurements are made

라고 할 수 있겠네요. 

 

c. Arm

: Horizontal distance from the reference datum line to the CG of an item.

Arm 은 기준점 (datum) 으로 부터 물체의 CG 까지의 거리 입니다.

 

d. Station

: Location of the airplane identified by a number representing its arm.

Cessna 172s 의 PIM 에서 가장 쉽게 볼 수 있는 station 은 seat 입니다.

 

e. Moment

Rotation force 라고 표현할 수 있습니다.

아령을 든다고 하였을 때 몸에서 가까울 때보다 멀리 했을 때 물건은 더 무겁게 느껴집니다. 

Moment = weight * arm 

으로 구할 수 있습니다. 

무게가 무거울 수록, 거리가 멀 수록 큰 힘을 받게 됩니다. 

 

f. C.G limit

: extreme CG locations w/in which the airplane must be operated at a given weight.

CG는 물체의 위치와 무게에 따라서 변하게 됩니다. 

 

g. Standard empty weight

: Weight that consists of the airframe, engines, and all items of operating equipment that have fixed locations and are permanently installed in the aircraft, including fixed ballast, hydraulic fluid, unusable fuel, tow bar, fuel strainer and full engine oil.

가장 기본적은 무게입니다. 무옵션 자동차?

Hydraulic fluid, Engine oil (full 9 quarts - C172s), Tow bar 등을 포함한 무게입니다. 

 

 

h. Basic Empty Weight

Standard empty weight plus the weight of optional and special equipment that have been installed.

옵션을 넣은 자동차 입니다.

비행기를 구매하였을 때

제 비행기의 실질적 무게입니다.

 

i. Useful Load

The weight of the pilot, copilot, psx, baggage, usable fuel, and drainable oil

Simply “maximum allowable gross weight – basic empty weight"

비행기를 타기 전 비행기는 Basic empty weight를 유지하고 있습니다.

사람, 화물 등을 싣고 기름도 싣게 될 것입니다. (Oil 은 Standard empty weight)

어디까지? 

비행기의 최대적재하중 까지 말이죠. 

이렇게 실을 수 있는 것들의 무게를 말하게 됩니다. 

 

 

j. Max Zero fuel weight (how much fuel I can carry)

: The loaded weight of the a/c, except fuel.

비행기를 적재하중까지 채운 뒤 Usable fuel 만 뺀 무게입니다.

* Payload : Weight of occupants, cargo, and baggage. 즉, 돈을 벌 수 있는 무게

* Useful load = Payload +Crew(+ baggage) + Usable fuel (+ Runup and taxi fuel)

 

k. Max ramp weight (Taxi weight)

:  the maximum weight authorised for manoeuvring (taxiing or towing) an aircraft on the ground as limited by aircraft strength and airworthiness requirements.

Taxi weight 라고도 불리는 Max ramp weight 는 비행기의 최대적재하중입니다. 

 

l. Max take off weight & Max landing weight.

: The maximum allowable weight for takeoff and landing

Take off와 Landing 을 하기 위한 최대 무게 입니다.

MTW 의 경우 Ramp weight 보다 작습니다. 보통 이 빠진 무게는 Runup and Taxi 에서 사용되는 기름입니다.

Landing weight 의 경우도 Take off weight 보다 작은 경우가 많습니다. 그 이유는 비행기가 touch down 하게 될 때 1G 이상을 받게 되고 그렇게 되면 비행기에 부담을 줄 수 있기 때문입니다. 

 

Cessna 172s 의 경우

MRW = 2558 lbs, MTW = 2550 lbs 로 이 8lbs 의 차이는 Runup&Taxi fuel 입니다. 

(PIM 5-18, 1.4 gallons = 8.4 lbs)

 

m. Gross weight

: The loaded weight of the a/c

 

 

3. (Weight) Overloading 끼치는 영향

•Higher takeoff speed : Weight 를 이기기 위해서 더 많은 양의 Lift 가 필요

•Longer takeoff run

•Reduced rate and angle of climb

•Lower maximum altitude

•Shorter range

•Reduced cruising speed

•Reduced maneuverability

•Higher stalling speed

•Higher approach and landing speed

•Longer landing roll : Approach & Landing speed 가 더 높기 때문에 비행기가 가진 Energy 자체가 높다. 

•Excessive weight on the nose wheel or tail wheel

 

Overloading 을 하게 되면

비행기의 구조적인 문제를 줄 수도 있지만

증가한 Weight 는 더 많은 Lift 를 필요로 하게 됩니다. 

그렇게 되면 더 빠른 속도 또는 AOA 를 크게 해야 하며 

AOA 를 크게해야하기 때문에 Drag 를 더 많이 만들어 내게 되고 

이는 Performance 를 낮추게 됩니다.

 

이 외에도

Take off & Landing roll distance 를 증가시키게 됩니다. 

이는 평소 사용하던 Runway 를 사용할 수 없게 된다는 말이 되기도 합니다. 

 

4. CG 변화에 따른 영향

 

Forward CG

Aft CG

Higher Stall Speed

Lower Stall Speed

Slower Cruise Speed

Higher Cruise Speed

More Stable
easier to recover from stall

Less Stable

Controllability : 좋음

Controllability : 안 좋음

Maneuverability : 안 좋음

Maneuverability : 좋음

여기서

FWD CG 의 경우 Landing 때의 performance

AFT CG 의 경우 비행기의 안정성과 영향이 있습니다.

 

위의 표는 within limit 일 때의 영향이고 out of limit 이 될 경우 어떤 일이 일어날 지 예측하기 어렵습니다. 

 

예를 들어

Landing 할 때 낮아진 속도로 인하여

Flare 를 하기 어려워집니다. 

Nose heavy가 되고 Elevator pressure 의 default 가 바뀌게 되면서 

Controllability 는 떨어지게 됩니다. 

 

PHAK 10-3 : Manufactures purposely place the FWD CG limit as far rearward as possible to aid pilots in avoiding damage when landing. In addition to decreased static and dynamic longitudinal stability, other undesirable effects caused by a CG location aft of the allowable range may include extreme control difficulty, violent stall characteristics, and very light control forces which make it easy to overstress an a/c inadvertently.

 

5. Stability, Controllability, Maneuverability

1) 용어

* Stability

Stability is the ability of an aircraft to correct for conditions that act on it, like turbulence or flight control inputs. 

 

비행기를 설계할 때부터 디자이너는 비행기가 Positive dynamic stability 를 가지게 설계합니다.

 

예를 들어 비행기가 Turbulance 를 맞고 속도가 떨어지게 되면

Tail down force 가 줄어들게 되어 Pitch 는 내려가게 되고

Pitch 가 내려가 Airspeed 는 다시 증가하게 됩니다 (Trimmed)

 

* Controllability

: Controllability. A measure of the response of an aircraft relative to the pilot's flight control inputs.

조금 쉽게 예를 들면 Controllability 를 증가시키기 위해서

Aileron 을 Wing root 쪽이 아니라 Wing tip 쪽에 설치하게 됩니다. 

Arm 을 증가시키고 Moment 를 증가시켜 반응이 빨리오게 만듭니다. 

 

* Maneuverability 

: the quality of an aircraft that permits it to be maneuvered easily and to withstand the stresses imposed by maneuvers. It is governed by the aircraft’s weight, inertia, size and location of flight controls, structural strength, and powerplant.

Maneuverability 는 Limit load 와 연관시키면 편합니다. 

 

2) Stability vs Controllability

Stability 가 높으면 보통 Controllability 가 낮고 반대의 경우 반대의 경우가 됩니다.

 

An-225

An-225 의 경우 Keel effect 가 굉장히 커 Stability 가 굉장히 큽니다. 

기존의 상태를 유지하려고 하는 힘이 너무 크기 때문에

Input 을 줬을 때도 그것을 유지하려하고 있습니다. 

 

이런 Stability 를 낮추기 위해서

Anhedral로 design 을 하여 Stability 를 낮추고 Controllability 를 증가시키게 됩니다. 

 

이 외에도 F-16 (Fighter jet) 의 경우

Stability 가 negative 가 됩니다. 대신 Controllability 가 굉장히 높습니다. 

이런 negative stability 는 사람이 조종하기 어렵기 때문에

Fly-by wire 를 사용하여 조작하게 됩니다. 

 

Stability와 Controllability 는 설계에서 정해지게 됩니다. 

 

우리말하는 CG와 Weight 의 변화에 따른 영향은

보통 Limit 안에서는 영향이 아주 크지 않습니다.

Cessna 172s 의 경우 12 inch 의 차이만 나고 영향이 거의 없다고 말하는 이도 있습니다. 

다만 문제는 Limit 에서 too far 됐을때의 일입니다.

 

3) Maneuverability

Performance limit (Limit load 등) 와 연관이 있습니다. 

예를 들어 High G maneuver 를 견뎌낼 수 있는 능력이라 할 수 있습니다.

High G 를 주었을 때도 Untrontrollable 이 되지 않고 계속 비행할 수 있는 것이지요. 

 

 

6. Method of weight and CG

계산하는 방법은

Computation, Graph, Table 의 세 가지 방법이 있습니다. 

Computation 의 경우 하나 하나 다 계산하게 되어 조금 더 정확합니다. 

 

Graph나 Table 의 경우

Computation 보다 더 간단하고 빠르게 할 수 있습니다. 

 

7. Total weight and CG change

비행기를 타기 전 Weight and balance 계산을 끝냈죠. 

그런데 갑자기 누군가 더 타기로 되었습니다. 

다시 이 모든 것들을 계산해야 할까요? 

 

간단한 계산을 통하여

바뀐 Weight and balance 를 알 수 있습니다. 

 

Weight shifting

W(shifted)/ W(total) = C.G (change)/ Dist (shifted)

 

Weight add or subtract

W(change)/ W(new total) = C.G(change)/ Dist (New-old)

 

의 두 가지 공식이지만... 

종종 헷갈리기 때문에

 

C.G location = Total Moment/ Total Weight 

로 구할 수 있습니다. 

 

 

잘하고 계시고

좋은 결과 나올 거에요.

항상 열심히 하시는거 알고 있어요.

 

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