Avion : Masse et centrage
Les données de masse et de centrage de l'avion sont des informations importantes pour un pilote qui doivent être fréquemment réévaluées. Bien que l'avion ait été pesé lors du processus de certification, cette information n'est pas valide indéfiniment. Les changements ou modifications de l'équipement affectent les données de masse et de centrage. Trop souvent, les pilotes réduisent la masse et l'équilibre de l'avion à une règle empirique, telle que : « Si j'ai trois passagers, je ne peux charger que 100 gallons de carburant ; quatre passagers, 70 gallons.
Les calculs de masse et de centrage doivent faire partie de chaque briefing avant le vol. Ne présumez jamais que trois passagers ont toujours le même poids. Au lieu de cela, effectuez un calcul complet de tous les articles à charger dans l'avion, y compris les bagages, ainsi que le pilote et le passager. Il est recommandé de peser tous les sacs pour effectuer un calcul précis de la position du centre de gravité de l'avion.
L'importance du CG a été soulignée dans la discussion sur la stabilité, la contrôlabilité et les performances. Une répartition inégale de la charge provoque des accidents. Un pilote compétent comprend et respecte les effets du CG sur un aéronef.
La masse et le centrage sont des éléments essentiels dans l'utilisation d'un avion à son plein potentiel. Le pilote doit savoir quelle quantité de carburant peut être chargée dans l'avion sans violer les limites de CG, ainsi que les limites de poids pour effectuer des vols longs ou courts avec ou sans un effectif complet de passagers autorisés. Par exemple, un avion a quatre sièges et peut transporter 60 gallons de carburant. Combien de passagers l'avion peut-il transporter en toute sécurité ? Tous ces sièges peuvent-ils être occupés à tout moment avec les différentes charges de carburant ? Quatre personnes qui pèsent chacune 150 livres conduisent à un calcul de poids et d'équilibre différent de celui de quatre personnes qui pèsent chacune 200 livres. Le deuxième scénario charge 200 livres supplémentaires sur l'avion et équivaut à environ 30 gallons de carburant.
Le poids supplémentaire peut ou non placer le CG en dehors de l'enveloppe du CG, mais le poids brut maximum peut être dépassé. L'excès de poids peut surcharger l'avion et dégrader les performances.
Les aéronefs sont certifiés pour la masse et le centrage pour deux raisons principales :
1. L'effet de la masse sur la structure primaire de l'avion et ses performances
2. L'effet de l'emplacement de ce poids sur les caractéristiques de vol, en particulier dans la récupération et la stabilité du décrochage et de la vrille
Les aéronefs, tels que les ballons et le contrôle du transfert de poids, ne nécessitent pas de calculs de masse et centrage car la charge est suspendue sous le mécanisme de levage. La gamme CG dans ces types d'avions est telle qu'il est difficile de dépasser les limites de chargement. Par exemple, la position du siège arrière et le carburant d'un avion à commande de transfert de poids sont aussi proches que possible du point d'accroche avec l'avion dans une attitude suspendue. Ainsi, les variations de charge ont peu d'effet sur le CG. Cela vaut également pour le panier de ballon ou la nacelle. Bien qu'il soit difficile de dépasser les limites de CG dans ces aéronefs, les pilotes ne doivent jamais surcharger un aéronef car la surcharge cause des dommages structurels et des pannes. Les calculs de masse et de centrage ne sont pas nécessaires, mais les pilotes doivent calculer la masse et rester dans la limite établie par le constructeur.
Effet du poids sur les performances de vol
Les performances de décollage/montée et d'atterrissage d'un aéronef sont déterminées sur la base de ses masses maximales autorisées au décollage et à l'atterrissage. Un poids brut plus lourd entraîne une course au décollage plus longue et une montée moins profonde, ainsi qu'une vitesse de toucher des roues plus rapide et un roulement à l'atterrissage plus long. Même une légère surcharge peut empêcher l'avion de franchir un obstacle qui normalement ne poserait pas de problème lors du décollage dans des conditions plus favorables.
Les effets néfastes de la surcharge sur les performances ne se limitent pas aux dangers immédiats liés aux décollages et atterrissages. La surcharge a un effet négatif sur toutes les performances de montée et de croisière, ce qui entraîne une surchauffe pendant les montées, une usure supplémentaire des pièces du moteur, une consommation de carburant accrue, des vitesses de croisière plus lentes et une autonomie réduite.
Les constructeurs d'avions modernes fournissent des données de masse et de centrage avec chaque avion produit. Généralement, ces informations peuvent être trouvées dans l'AFM/POH approuvé par la FAA et des tableaux faciles à lire pour déterminer les données de masse et de centrage sont maintenant fournis. L'augmentation des performances et de la capacité de charge de ces avions nécessite le strict respect des limites d'exploitation prescrites par le constructeur. Les écarts par rapport aux recommandations peuvent entraîner des dommages structurels ou une défaillance complète de la structure de l'avion. Même si un avion est bien chargé dans les limites de poids maximum, il est impératif que la répartition du poids soit dans les limites de l'emplacement du CG. La brève étude précédente de l'aérodynamique et des facteurs de charge précise les raisons de cette précaution.
Dans certains aéronefs, il n'est pas possible de remplir tous les sièges, compartiments à bagages et réservoirs de carburant, tout en restant dans les limites de masse ou de centrage approuvées. Par exemple, dans plusieurs avions à quatre places populaires, les réservoirs de carburant peuvent ne pas être remplis à pleine capacité lorsque quatre occupants et leurs bagages sont transportés. Dans certains aéronefs à deux places, aucun bagage ne peut être transporté dans le compartiment à l'arrière des sièges lorsque des vrilles doivent être pratiquées. Il est important pour un pilote de connaître les limites de masse et de centrage de l'aéronef piloté et les raisons de ces limites.
Effet du poids sur la structure de l'avion
L'effet d'un poids supplémentaire sur la structure de l'aile d'un aéronef n'est pas évident. Les exigences de navigabilité prescrivent que la structure d'un aéronef certifié dans la catégorie normale (dans laquelle les acrobaties sont interdites) doit être suffisamment solide pour supporter un facteur de charge de 3,8 Gs pour prendre en charge les charges dynamiques causées par les manœuvres et les rafales. Cela signifie que la structure primaire de l'avion peut supporter une charge de 3,8 fois la masse brute approuvée de l'avion sans qu'une défaillance structurelle ne se produise. Si cela est accepté comme indicatif des facteurs de charge qui peuvent être imposés pendant les opérations auxquelles l'aéronef est destiné, une surcharge de 100 livres impose une surcharge structurelle potentielle de 380 livres. La même considération est encore plus impressionnante dans le cas des avions de la catégorie utilitaire et acrobatique,
Les défaillances structurelles résultant d'une surcharge peuvent être dramatiques et catastrophiques, mais le plus souvent, elles affectent progressivement les composants structurels d'une manière difficile à détecter et coûteuse à réparer. Une surcharge habituelle a tendance à provoquer des contraintes et des dommages cumulatifs qui peuvent ne pas être détectés lors des inspections avant le vol et entraîner une défaillance structurelle plus tard pendant des opérations tout à fait normales. On pense que la contrainte supplémentaire exercée sur les pièces structurelles par la surcharge accélère l'apparition de défaillances par fatigue métallique.
La connaissance des facteurs de charge imposés par les manœuvres de vol et les rafales met en évidence les conséquences d'une augmentation de la masse brute d'un aéronef. La structure d'un aéronef sur le point de subir un facteur de charge de 3 Gs, comme lors d'une récupération après une plongée abrupte, doit être préparée pour supporter une charge supplémentaire de 300 livres pour chaque augmentation de poids de 100 livres. Il convient de noter que cela serait imposé par l'ajout d'environ 16 gallons de carburant inutile dans un avion particulier. Les aéronefs civils certifiés FAA ont été analysés structurellement et testés pour voler à la masse brute maximale autorisée et dans les limites des vitesses affichées pour le type de vols à effectuer. Les vols à des masses supérieures à ce montant sont tout à fait possibles et sont souvent bien en deçà des capacités de performance d'un aéronef. Ce fait ne doit pas induire le pilote en erreur,
Lors du chargement d'un avion avec des passagers ou du fret, la structure doit être prise en compte. Les sièges, les compartiments à bagages et les planchers de cabine sont conçus pour une certaine charge ou concentration de charge et pas plus. Par exemple, un compartiment à bagages d'avion léger peut être placardé pour 20 livres en raison de la résistance limitée de sa structure de support même si l'avion n'est peut-être pas surchargé ou hors des limites de CG avec plus de poids à cet endroit.
Effet du poids sur la stabilité et la contrôlabilité
La surcharge affecte également la stabilité. Un aéronef stable et contrôlable lorsqu'il est chargé normalement peut avoir des caractéristiques de vol très différentes lorsqu'il est surchargé. Bien que la répartition du poids ait l'effet le plus direct sur cela, on peut s'attendre à ce qu'une augmentation du poids brut de l'aéronef ait un effet négatif sur la stabilité, quel que soit l'emplacement du CG. La stabilité de nombreux aéronefs certifiés est totalement insatisfaisante si la masse brute est dépassée.
Effet de la répartition de la charge
L'effet de la position du CG sur la charge imposée à l'aile d'un aéronef en vol est important pour les performances de montée et de croisière. Un avion avec chargement vers l'avant est "plus lourd" et par conséquent, plus lent que le même avion avec le CG plus en arrière.
La figure illustre pourquoi cela est vrai. Avec le chargement vers l'avant, une compensation « à cabrer » est nécessaire dans la plupart des aéronefs pour maintenir le vol de croisière en palier. L'assiette à cabrer implique de régler les surfaces de la queue pour produire une plus grande charge vers le bas sur la partie arrière du fuselage, ce qui ajoute à la charge de l'aile et à la portance totale requise de l'aile si l'altitude doit être maintenue. Cela nécessite un AOA plus élevé de l'aile, ce qui entraîne plus de traînée et, à son tour, produit une vitesse de décrochage plus élevée.
Avec le chargement arrière et l'assiette « à piquer », les surfaces de la queue exercent moins de charge vers le bas, ce qui soulage l'aile de la charge alaire et de la portance nécessaires pour maintenir l'altitude. L'angle d'attaque requis de l'aile est moindre, donc la traînée est moindre, permettant une vitesse de croisière plus rapide. Théoriquement, une charge neutre sur les surfaces de la queue en vol de croisière produirait les performances globales les plus efficaces et la vitesse de croisière la plus rapide, mais cela entraînerait également une instabilité. Les avions modernes sont conçus pour nécessiter une charge vers le bas sur la queue pour la stabilité et la contrôlabilité. Une indication de zéro sur la commande du volet compensateur n'est pas nécessairement la même chose qu'un « trim neutre » en raison de la force exercée par le souffle des ailes et du fuselage sur les surfaces de la queue.
Les effets de la répartition de la charge utile de l'aéronef ont une influence significative sur ses caractéristiques de vol, même lorsque la charge est dans les limites du CG et de la masse brute maximale autorisée. Parmi ces effets, les changements de contrôlabilité, de stabilité et de la charge réelle imposée à l'aile sont importants.
Généralement, un avion devient moins contrôlable, en particulier à des vitesses de vol lentes, à mesure que le CG est déplacé plus en arrière. Un aéronef qui récupère proprement d'une vrille prolongée avec le CG à une position peut échouer complètement à répondre aux tentatives de récupération normales lorsque le CG est déplacé vers l'arrière d'un ou deux pouces.
Il est courant pour les concepteurs d'aéronefs d'établir une limite de CG arrière qui se situe à moins d'un pouce du maximum, ce qui permet une récupération normale après une vrille d'un tour. Lors de la certification d'un aéronef dans la catégorie utilitaire pour permettre des vrilles intentionnelles, la limite de centrage arrière est généralement établie à plusieurs pouces en avant de celle autorisée pour la certification dans la catégorie normale.
Un autre facteur affectant la contrôlabilité, qui est devenu plus important dans les conceptions actuelles de gros aéronefs, est l'effet des bras à long moment sur les positions de l'équipement lourd et du fret. Le même aéronef peut être chargé au poids brut maximum dans ses limites de CG en concentrant le carburant, les passagers et le fret près du CG de conception, ou en dispersant les charges de carburant et de fret dans les réservoirs de bout d'aile et les bacs de fret à l'avant et à l'arrière de la cabine.
A masse totale et CG identiques, manœuvrer l'avion ou maintenir le vol en palier en air turbulent nécessite l'application d'efforts aux commandes plus importants lorsque la charge est dispersée. Les bras de moment plus longs aux positions des charges lourdes de carburant et de cargaison doivent être surmontés par l'action des gouvernes. Un avion avec des réservoirs d'aile extérieurs pleins ou des réservoirs de pointe a tendance à être lent en roulis lorsque les situations de contrôle sont marginales, tandis qu'un avion avec des bacs de chargement avant et arrière pleins a tendance à être moins réactif aux commandes de profondeur.
La limite de centrage arrière d'un aéronef est déterminée en grande partie par des considérations de stabilité. Les exigences de navigabilité d'origine pour un certificat de type précisent qu'un aéronef en vol à une certaine vitesse amortit le déplacement vertical du nez dans un certain nombre d'oscillations. Un avion chargé trop loin vers l'arrière peut ne pas le faire. Au lieu de cela, lorsque le nez est momentanément relevé, il peut alternativement monter et plonger de plus en plus raide à chaque oscillation. Cette instabilité est non seulement inconfortable pour les occupants, mais elle peut même devenir dangereuse en rendant l'avion ingérable dans certaines conditions.
La récupération d'un décrochage dans n'importe quel avion devient progressivement plus difficile à mesure que son centre de gravité se déplace vers l'arrière. Ceci est particulièrement important dans la récupération de vrille, car il y a un point dans le chargement arrière de tout aéronef auquel une vrille « à plat » se développe. Une vrille à plat est une vrille dans laquelle la force centrifuge, agissant par l'intermédiaire d'un centre de gravité situé bien à l'arrière, éloigne la queue de l'avion de l'axe de la vrille, ce qui rend impossible le piqué et la récupération.
Un avion chargé à la limite arrière de sa plage de CG autorisée gère différemment les virages et les manœuvres de décrochage et a des caractéristiques d'atterrissage différentes que lorsqu'il est chargé près de la limite avant.
La limite de CG avant est déterminée par un certain nombre de considérations. Par mesure de sécurité, il est exigé que le dispositif de compensation, qu'il s'agisse d'un tab ou d'un stabilisateur réglable, soit capable de maintenir l'avion en plané normal avec l'alimentation coupée. Un aéronef conventionnel doit être capable d'un atterrissage avec décrochage complet et sans moteur afin d'assurer une vitesse d'atterrissage minimale en cas d'urgence. Un avion de type roue arrière chargé excessivement en piqué est difficile à rouler, en particulier par vent fort. Il peut être facilement renversé en utilisant les freins, et il est difficile d'atterrir sans rebondir car il a tendance à piquer sur les roues lorsqu'il est ralenti et évasé pour l'atterrissage. Des difficultés de pilotage au sol peuvent survenir dans les aéronefs à train avant, en particulier lors de la course à l'atterrissage et au décollage. Les effets de la répartition des charges sont résumés comme suit :
- La position du CG influence la portance et l'angle d'attaque de l'aile, la quantité et la direction de la force sur la queue et le degré de déflexion du stabilisateur nécessaire pour fournir la force de queue appropriée pour l'équilibre. Ce dernier est très important en raison de sa relation avec la force de commande de profondeur.
- L'avion décroche à une vitesse plus élevée avec un emplacement CG vers l'avant. C'est parce que l'angle d'attaque de décrochage est atteint à une vitesse plus élevée en raison de l'augmentation de la charge alaire.
- Des forces de contrôle de profondeur plus élevées existent normalement avec un emplacement CG vers l'avant en raison de la déviation accrue du stabilisateur nécessaire pour équilibrer l'avion.
- L'avion effectue une croisière plus rapide avec un emplacement de CG arrière en raison de la traînée réduite. La traînée est réduite car un AOA plus petit et moins de déviation vers le bas du stabilisateur sont nécessaires pour soutenir l'avion et surmonter la tendance à piquer en piqué.
- L'avion devient moins stable lorsque le CG est déplacé vers l'arrière. En effet, lorsque le CG est déplacé vers l'arrière, cela provoque une diminution de l'AOA. Par conséquent, la contribution de l'aile à la stabilité de l'avion est maintenant réduite, tandis que la contribution de la queue se stabilise toujours. Lorsque le point est atteint où les contributions de l'aile et de la queue s'équilibrent, alors la stabilité neutre existe. Tout mouvement du CG plus vers l'arrière entraîne un aéronef instable.
- Un emplacement CG vers l'avant augmente le besoin d'une plus grande pression de profondeur arrière. La gouverne de profondeur peut ne plus être en mesure de s'opposer à toute augmentation de tangage à piquer. Une commande de profondeur adéquate est nécessaire pour contrôler l'avion sur toute la plage de vitesse anémométrique jusqu'au décrochage.
