Load factors

Load factors: airplane operating limits.

Airplane pageのサブページからのこれまでのセクションは、飛行原理に関する実用的なポイントのいくつかを簡単に考察しただけでした。 パイロットになるために、空気力学の科学の詳細な技術的なコースは必要ではありません。 しかし、乗客の安全に責任を持つ有能なパイロットは、飛行機に作用する力と、その力の有利な使い方、そして特定の飛行機の操作限界について、しっかりとした概念を持っていなければなりません。 この力の大きさを「荷重係数」と呼ぶ。

荷重係数とは、飛行機の総重量に対する、飛行機に作用する総空気荷重の割合である。 たとえば、荷重係数が3であれば、飛行機の構造体にかかる総荷重が総重量の3倍であることを意味します。 6591>

面白いのは、飛行機が急降下して3Gの力を受けると、体重の3倍に相当する力で座席に押しつけられることである。 このように、どのような操縦でも、座席にどの程度押し付けられるかを考えれば、負荷率の大きさがわかる。 6591>

ある程度の過負荷に耐えられるように飛行機の構造設計が計画されているため、すべてのパイロットにとって荷重係数についての知識は不可欠となっている。 ロードファクターがパイロットにとって重要なのは、次の2つの明確な理由があるからです。

Load factors in airplane design

航空機設計における荷重係数

「航空機はどの程度強くあるべきか」という質問に対する答えは、航空機がさらされる用途によってほぼ決定されます。 これは難しい問題で、最大可能荷重は効率的な設計に用いるにはあまりに高すぎるからである。 確かに、どんなパイロットでも、急降下や急降下からの急上昇をすれば、異常荷重が発生することはある。

そこで、飛行機設計における荷重係数の問題は、さまざまな運用状況下での通常運用で予想される最高荷重係数を決定することに集約される。 これらの負荷率は「限界負荷率」と呼ばれている。 安全上、飛行機はこれらの負荷率に耐え、構造的な損傷を受けないように設計される必要がある。 連邦規則では、航空機の構造はこれらの限界荷重係数の1.5倍を支えられなければならないが、これらの荷重で航空機の一部が曲がったりねじれたりして、構造上の損傷が起こることが認められている。

以上の考察は、突風、操縦、着陸のいずれによるものであっても、すべての荷重条件に適用される。 現在有効な突風負荷率の要件は、長年存在しているものと実質的に同じです。 何十万時間もの運用で、安全上適切であることが証明されています。 パイロットは突風荷重をほとんどコントロールできないので(荒れた空気に遭遇したときに飛行機の速度を下げることを除いて)、突風荷重の要件は、その運用目的にかかわらず、ほとんどの一般航空タイプの飛行機で実質的に同じです。 一般に、突風荷重係数は厳密に非アクロバット的な使用を意図した飛行機の設計を制御する。

マヌーバ荷重係数を用いた飛行機の設計では、まったく異なる状況が存在する。 この問題に関しては、別々に議論する必要がある。 (1) Category System (i.e., Normal, Utility, Acrobatic) に従って設計された飛行機、および (2) Operational Categoryを規定しない要件で作られた古い設計の飛行機。

Category Systemに基づいて設計された飛行機は、その飛行機が認証されている運用カテゴリー(またはカテゴリー)を記したコックピットのプラカードで容易に識別できます。

CATEGORY LIMIT LOAD

Normal* 3.8 to -1.0.52

Utility (mild acrobatics, including spin) 4.4 to -1.76

Acrobatic 6.0 to -3.0

* 総重量4000ポンド以上の飛行機は限界荷重係数が減少されます。

There is the upward graduation in load factor with the increasing severity of maneuvers.The limit loads given above, a safety factor of 50 percent is added.

There is the upward graduation in load factor with the increasing severity of maneuvers. カテゴリー制度は、飛行機の実用性を最大限に引き出すための制度である。

カテゴリープラカードのない飛行機は、以前の技術的な要求で作られたもので、特にパイロットに操作の制限を与えていない設計である。 このタイプの飛行機(重量が約4,000ポンドまで)は、必要な強度は現在の実用機カテゴリーの飛行機と同等であり、同じタイプの操作が許容される。 6591>

Load factors in steep turns

Load factors in a constant altitude, coordinated turn in any airplane, is the result of two forces: centrifugal force and gravity.このタイプの飛行機は、4,000ポンド以上では、重量とともに負荷率が減少するので、カテゴリーシステムで設計した通常のカテゴリーの飛行機と同等とみなされ、それに従って操作することが必要です。

図1:旋回中の負荷率を引き起こす2つの力

任意のバンク角に対して、旋回速度は対気速度によって変化し、速度が高いほど旋回速度は遅くなる。

図2は、旋回に関する重要な事実を明らかにしています。それは、バンク角が45°または50°に達した後、負荷率が恐ろしい速度で増加することです。 60°のバンクではどんな飛行機でも2Gの負荷率になります。 80°のバンクでは5.76Gである。

図2:バンク角による荷重係数の変化

荷重係数を示す線が、90°バンク線に近づくと急激に上昇し、それが無限大になったときに初めて到達することに注意する必要がある。 90°のバンクで高度を一定にするターンは数学的に不可能です。 確かに、飛行機は90°にバンクさせることはできても、調整飛行はできない。90°バンクのスリップターンで保持できる飛行機は、まっすぐなナイフエッジ飛行が可能である。 80°を少し超えると、負荷率はアクロバット機の限界負荷率である6Gを超える。

協調旋回、一定高度旋回では、平均的な一般航空機のおおよその最大バンクは60°である。 このバンクとそれに伴う必要な出力設定は、この種の飛行機の限界に達する。

荷重係数と失速速度

どんな飛行機でも、その構造の限界内では、どんな対気速度でも失速する可能性がある。 十分に高い迎え角が与えられると、翼の上の滑らかな空気の流れが壊れて分離し、飛行特性の急激な変化と揚力の急激な喪失が生じ、失速する。

この効果を研究した結果、飛行機の失速速度は荷重係数の平方根に比例して増加することが判明した。 つまり、通常の無加速失速速度が50ノットの飛行機が、4Gの負荷率を誘発することによって100ノットで失速する可能性がある。 もし、この飛行機が9の負荷率に耐えられるとしたら、150ノットの速度で失速する可能性があります。

– 急旋回やスパイラルのように、負荷率を上げることで不注意に失速してしまう危険性、

– 設計操縦速度以上の飛行機を意図的に失速させると、途方もない負荷率がかかること。

図2と図3のグラフを参照すると、急旋回で飛行機を72°強までバンクさせると、負荷率が3になり、失速速度が大幅に上昇することがわかるだろう。 通常の無加速失速速度が45ノットの飛行機でこの旋回をすると、失速を防ぐために対気速度は75ノット以上に保たなければなりません。 これは特に急旋回や地上付近でのバックエレベーターの急激な操作で、突然、予期せぬコントロールを失う事故の原因になっている。

失速速度が2倍になると負荷率が2乗になるので、比較的高い速度で飛行機を失速させると、構造物に多大な負荷がかかることがわかるだろう。

この速度は「設計操縦速度」(VA)と呼ばれ、最近設計されたすべての飛行機のFAA承認の飛行機飛行マニュアルまたはパイロット操作ハンドブック(AFM/POH)に記入することが要求されています。 旧式の一般的な航空機では、この速度は通常の失速速度の約1.7倍となります。 従って、通常 60 ノットで失速する旧式の飛行機は、102 ノット(60 ノット x 1.7 = 102 ノット)以上では絶対に失速してはいけません。 通常の失速速度が60ノットの飛行機が102ノットで失速すると、速度増加の2乗、つまり2.89Gの負荷がかかります(1.7 x 1.7 = 2.89G’s). (上記の数値は目安として考えられる近似値であり、一連の問題に対する正確な解答ではありません。

操縦系統の梃子は飛行機によって異なり、「バランスのとれた」操縦面を採用しているものとそうでないものがあるので、パイロットが操縦系統にかける圧力は、異なる飛行機で生じる負荷係数の指標として受け入れることはできない。 ほとんどの場合、ロードファクターは経験豊富なパイロットが座圧の感触から判断することができる。 また、加速度計と呼ばれる測定器でも測定できますが、一般的な航空訓練機では一般的ではありませんので、身体に与える影響の感触から荷重係数を判断する能力を養うことが重要です。

様々なバンクの度合いによって引き起こされる荷重係数と、設計操縦速度(VA)の重要性を十分に理解することは、最も深刻な2種類の事故の防止に役立つだろう。

1. 急旋回や地上付近での過度の操縦による失速、

2. 制御不能によるアクロバットやその他の激しい操縦中の構造破壊。

Load factors and flight maneuvers

Critical load factors apply to all flight maneuvers except unaccelerated straight flight where a load factor of 1 G are always present…加速しない直線飛行では、常に1Gの負荷率が存在する。

TURNS- すべてのバンクターンの特徴として、荷重係数が高くなることが知られている。 急旋回時の荷重要因の項、特に図2、3で述べたように、荷重要因はバンクが約45°を超えると飛行性能と翼構造への荷重の両方において重要になる。

平均的な軽飛行機の降伏係数は約70°から75°のバンクで到達し、失速速度は約63°のバンクで約2分の1に増加する。

失速-通常の水平飛行や加速しない直線上昇から入る失速は、水平飛行の1G以上の負荷係数を発生させることはない。 しかし、失速が起こると、この荷重係数はゼロに向かって減少し、何も重さを感じなくなり、パイロットは「宇宙で自由に浮いている」ような感覚を味わうことができます。

失速回復後の上昇中に、大きな荷重要因が発生することがあります。

失速回復後の上昇時には、かなりの荷重要因が引き起こされることがあります。不注意にも、これらは過度の潜水(そして結果として高い対気速度)および水平飛行への急激な上昇時にさらに増加することがあります。 通常、一方が他方を引き起こし、負荷率を増加させます。

一般論として、巡航速度または設計操縦速度までしか潜らない失速からの復帰は、速度が失速を安全に超えると同時に徐々に引き上げ、2または2.5Gを超えない負荷係数で行うことができます。 それ以上の負荷は、機首が垂直に近いかそれを超えた状態で回復した場合、あるいは地面への飛び込みを避けるために極端に低い高度で回復した場合を除き、決して必要ないはずです。

SPINS-S 安定化したスピンは回転以外の要素では失速と本質的に変わらないので、失速回復と同じ負荷率を考慮する必要があります。 スピンの回復は通常失速の回復よりずっと機首を下げて行うので、対気速度が速く、その結果負荷率も高くなることが予想される。

スピン中の負荷率は、それぞれの飛行機のスピン特性によって異なりますが、通常、水平飛行の1Gよりわずかに上であることが分かっています。

スピン時の負荷率は、飛行機によって異なりますが、通常、水平飛行の1Gより少し高いことが分かっています。

1. スピン中の対気速度は非常に低く、加速していない失速速度の2ノット以内である。

HIGH-Speed STALLS-平均的な軽飛行機は、高速失速に共通する負荷係数の繰り返し適用に耐えるように作られてはいない。

通常の失速以上の速度でこの失速を引き起こすには、エレベータを強く引くなどして、負荷要素を追加する必要があります。 失速速度の1.7倍(失速速度60ノットの軽飛行機で約102ノット)の速度で、3Gの負荷率が発生します。 さらに、軽飛行機でのアクロバット飛行では、非常に狭い誤差しか許されない。

CHANDELLES AND LAZY EIGHTS-これらの操縦の負荷率について明確なことを言うのは難しいでしょう、どちらもスムーズで浅いダイブやプルアップをするので。 発生する負荷率は、潜水の速度と引き上げの急さに直接依存する。

一般的に、操縦が上手であればあるほど、発生する負荷率は極端に小さくなる。

中程度の荷重で最もスムーズな上昇をすれば、シャンデレで最も高度を稼ぐことができ、シャンデレとレイジーエイトの両方でより良い総合性能を発揮することができる。

さらに、これらのマヌーバの推奨進入速度は、一般的にメーカーの設計マヌーバ速度に近く、それによって荷重制限を超えることなく荷重係数を最大限に発達させることができることに留意する。 突風の荷重係数は飛行速度の増加とともに増加し、設計に使用される強度は通常、最高レベルの飛行速度に対応します。

保持する速度に関係なく、負荷制限を超える負荷を発生させる突風が発生する可能性があります。 幅広い速度と高度が可能な最新の航空機の操縦者は、この追加機能によって快適さと安全性の両方で恩恵を受けている。

既知の操縦速度以上の速度を伴う高速ダイブやアクロバットは、荒れた空気や乱気流では決して行ってはいけない。

まとめると、意図的なアクロバット飛行、急降下、高速失速、高速飛行中の突風によって引き起こされる荷重要因はすべて、飛行機の構造全体にストレスを加えるということを忘れてはならない。 このような構造上のストレスは、航空機のどの部分にもかかるもので、知識のない人は荷重係数をスパーやストラットへの影響という観点からだけ考える傾向がある。

布張りの飛行機で重要なのは、主翼の上面後方の弦の3分の1ほどを覆っている部分である。

Vg diagram

航空機の飛行強度は、負荷率に基づいたグラフで表示されます。

図4:典型的なVgダイアグラム

この図はVgダイアグラム-速度対「g」負荷または負荷率と呼ばれています。

各航空機は特定の重量と高度で有効な独自のVgダイアグラムを持っています。

最大揚力線(曲線)は、Vg線図の最初の重要な項目です。

図の飛行機は、62m/hで1以上の正の「g」を発生することができます。

最大荷重係数は対気速度の二乗で変化するので、この飛行機の最大正揚力は92mphで2g、112mphで3g、137mphで4.4gなどである。 この線より上の負荷率は、空気力学的に利用できない。つまり、対象の飛行機は最大揚力線より上を飛ぶことができない(失速してしまう)。

もし対象飛行機が4.4の正の限界荷重係数より大きい正の荷重係数で飛行した場合、構造的な損傷が起こる可能性があります。 この領域で飛行させた場合、一次構造に好ましくない永久変形が起こる可能性があり、高い確率で疲労破損が発生する。 6591>

Vg線図には他に2つの重要なポイントがある。 まず、正の限界荷重係数と正の最大揚力線との交点である。 この点での対気速度は、限界荷重を空力的に展開できる最小の対気速度である。 これより大きな速度では、飛行機を損傷するのに十分な揚力が得られ、これより小さな速度では、過大な飛行負荷による損傷を引き起こすのに十分な揚力が得られない。 亜音速の空気力学を考慮すると、この速度で最小の旋回半径が得られると予測されるため、通常この速度を「meuvering speed」と呼んでいる。 この速度以下で飛行している飛行機は、有害な正の飛行荷重を発生させることができないため、マヌーバ速度は貴重な基準点である。

次に、負極限荷重係数と最大負揚力線の交点である。

これより大きい対気速度は、飛行機を損傷するのに十分な負揚力となり、小さい対気速度は過度の飛行荷重による飛行機の損傷に十分に負揚力は得られない。

限界対気速度(または赤線速度)は飛行機の設計基準点であり、対象の飛行機は225mPhに制限されています。限界対気速度を超えて飛行しようとすると、さまざまな現象から構造的な損傷や構造的な故障が発生する可能性があります。 飛行機の構造的な損傷を防ぐため、また、その飛行機が期待される揚力を得るために、飛行機はこの “envelope “の範囲内で運転されなければなりません。 パイロットはVgダイアグラムを、安全な操縦のための許容される対気速度と荷重係数の組み合わせとして理解しなければなりません。 構造的な範囲外の操作、突風、突風+操作は、構造的な損傷を引き起こし、飛行機の寿命を事実上縮めることになります。 次はWeight and BalanceのページかFAAのPrinciples of Flight Testのページをご覧ください。

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