[Weight and Balance]Weight, performance and terms

　　Weight and Balance 는 비행을 배울 때 가장 중요하게 배우는 part 중의 하나이다. 그만큼 중요하기 때문에 비행교관을 할 때도 반드시 발표해야 하는 주제중의 하나이다.

 

　　Weight and Balance (WAB) 가 중요한 이유는 무게 불균형으로 인하여 기체에 무리가 갈 수 있을 뿐만 아니라 비행기의 controllability 에도 영향을 주기 때문이다.

적당한 WAB 라고 함은;

a. Maximum allowable wight 를 초과하지 않을 것

b. Center of Gravity (CG) 가 특정범위 안에 들어가 있어야 한다.

Weight

　　비행기가 비행중 Level flight 를 하고 있다는 것은 Weight 과 Lift 의 힘이 같다는 것을 의미한다. 이걸 조금 바꿔서 말하면 비행기의 Lift 값이 Weight 를 버티고 있다는 말이 되기도 한다. 여기서 조금 더 응용하면 Lift 가 Weight 보다 클 경우 비행기는 Climb 하게 되며, Lift 가 Weight 보다 작을 경우 Descent 하게 된다. 

 

　　비행기는 maneuver 를 하는 도중 또는 여러 요소로 인하여 load 가 변하게 된다. 이는 Load factor 가 바뀌기 때문이다. 보통 중학교 물리시간때 배우는 것 중 하나가 달에서 재는 나의 무게와 지구에서 재는 나의 무게는 다르다고 이야기한다. 이는 무게 = 질량 x 중력가속도 (w= m x g (kgf)) 법칙이 성립되기 때문이다 (1 kgf = 9.80665N)

　　이 무게(Weight) 의 증가는 비행기의 maneuver 시 level flight 를 하기 위해서도 중요하다. 예를 들어 60° Bank angle 을 가진 비행기가 Level flight 를 하기 위해 주어지는 G force (Load factor) 는 2가 된다. 그렇기 때문에 Wing loading (Wing 에 가해지는 무게) 은 2배가 되게 된다. 

 

Performance

　　그 외에도 비행기의 무게에 따라 performance 의 변화도 생기게 된다.

　　무거운 비행기 일 수록

• a Higher Stall speed
• a Higher takeoff speed and a longer takeoff run
• Poorer climb performance (poorer climb angle and climb rate)
• a Lower cruising level
• Less maneuverability
• Higher fuel consumption and less range and endurance
• Reduced cruise speed for a given power setting
• a Higher landing speed and a longer landing distance
• Greater braking requirements when stopping

의 영향을 받게 된다.

　　위와 같은 변화가 생기는 이유는 Weight 의 증가로 인한 Lift requirment 의 증가이다. 이는 Level flight 를 위해서는 Lift 를 증가시켜야 한다는 말이 되며, 비행기에서 Lift 를 증가시키는 방법은 Lift 공식을 보면 알 수 있다.

 

　　Lift (L) = lifting abilit of the wing (CL) * dynamic pressure (1/2 ρV²) * Wing area (S)

 

　　비행기의 모양을 바꾸는 것은 Flap 을 사용하는 것을 제외하면 할 수 없기 때문에 Angle of Attact (AOA) 를 증가시키는 방법으로 Lift 를 증가시키게 된다. 그렇게 되면 AOA 의 증가로 인하여 Stall AOA 에 가까워 지게 되어 Stall speed 가 증가하게 된다. AOA 가 증가하였기 때문에 Drag 의 값도 커져 cruising speed 의 감소, fuel consumption 의 증가 등이 일어난다.

　　그리고 Kinetic Energy (KE) = 1/2 mv² 의 영향으로 landing 후 stop 까지는 더 많은 brake 가 필요하며 더 멀리 갈 수 밖에 없어진다. 또 AOA 를 유지하며 approach 를 해야 하기 때문에 approach speed 를 증가시켜야 하므로 landing distance 역시 증가되게 된다. 

 

Weight terms

　　a. Standard Empty Weight
- Aircraft 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, Full hydraulic fluid, unusable fuel, and Full engine oil.

 

　　b. Basic Empty Weight
- Standard empty weight ＋ the weight of optional and special equipment that have been
installed.

 

　　c. Zero Fuel Weight (to know how much fuel I can carry)
- The loaded weight of the aircraft, except fuel.
- Purpose for determining structure integrity that how much strength will have without
fuel related weight.

 

　　d. Max Ramp Weight (Taxi weight)
- The total weight of a loaded aircraft, and includes all fuel.
- It is greater than the takeoff weight due to the fuel that will be burned during the taxi
and run-up operations.

 

　　e. Max Take-off Weight
- The maximum allowable weight for takeoff.

 

　　f. Max Landing Weight
- The greatest weight that an aircraft normally is allowed to have at landing.
- It is important to know because the momentum of airplane when touch-down can stress
structure.

 

　　g. Gross Weight
- The loaded weight of the aircraft. (Empty weight + Fuel + People + Baggage + Cargo).

 

　　h. Useful Load
- The weight of the pilot, copilot, passengers, baggage, usable fuel, and drainable oil.
- Simply “(maximum allowable gross weight) - (basic empty weight)”
- This term applies to general aviation aircraft only.
Technical Subject Areas 9/13
Airplane weight and balance Taehyeon Lee

 

　　i. Payload
- The weight of occupants, cargo and baggage.
- Anything that pays for. Not pilot, pilot’s baggage, fuel.

 

　　j. Floor load limit (to manage the distribution of floor)
- The maximum weight the floor can sustain per square inch/foot as provided by the
manufacturer.

 

　　k. Fuel load (It is going to be used)
- The expendable part of the load of the aircraft.
- It includes only usable fuel, not fuel required to fill the lines or that which remains trapped
in the tank sumps.

 

　　그 외의 weight limitations 에는 a maximum baggage compartment load, or a maximum zero fuel weight (ZFW) 이 있다.