Влияет ли грузовой баланс на эффективность использования топлива в коммерческой авиации?

Размещение груза таким образом, чтобы центр тяжести самолета находился в определенном диапазоне, имеет важное значение, но есть ли какое-либо преимущество в том, чтобы центр тяжести находился ближе к какой-то идеальной точке в пределах допустимого диапазона?

Не существует единой идеальной точки для всех больших грузовых самолетов, определяемой центром тяжести (cg), выраженным в процентах от средней аэродинамической хорды (% mac). Существует множество моделей самолетов и операционных вариаций. Общая идея для больших самолетов, таких как 747, состоит в том, чтобы поместить ЦТ как можно дальше назад, сохраняя при этом нежелательные эксплуатационные характеристики в разумных пределах. Чем дальше центр тяжести отводится назад, тем ниже расход топлива, потому что при перемещении центра тяжести назад (к центру подъемной силы крыла) момент подъемной силы крыла при уменьшении тангажа уменьшается, и, таким образом, хвостовое оперение должно обеспечивать меньшую направленную вниз силу, что это означает, что общее сопротивление будет меньше, а топливная экономичность повысится (здесь специалисты по аэродинамике, вероятно, могут сказать это более кратко).

Рабочие диапазоны самолета определяют, насколько далеко назад вам разрешено поместить ЦТ. Существует множество ограничений, касающихся определения самого заднего предела. Две очевидные из них — это управляемость в условиях неработающего двигателя и в условиях турбулентности.

Тем не менее, не всегда старайтесь поставить ЦТ прямо перед задним пределом. Могут быть и другие соображения. Например, на самолетах 747-100/200/400 при типичном весе ограничение задней ЦТ составляет 33,0% mac, но общая точка прицеливания для нулевого веса топлива составляет 26,6% mac. Хотя я не знаю всех причин использования 26,6%, одна из них заключается в том, что это расположение шасси крыла, поэтому, если по какой-то причине вы не можете выдвинуть шасси, самолет может сесть на хвост при посадке в зависимости от от того, сколько топлива у вас осталось и как далеко от 26,6% вы находитесь.

Loadmasters для данного самолета - хороший источник того, что является обычной точкой прицеливания для cg.

Не будет ли дополнительное сопротивление поверхности управления вызвано грузом, загруженным на грани эксплуатационных норм?

Да, если бы у вас была центральная масса на уровне переднего предела, хвостовое оперение должно было бы генерировать большую нисходящую силу, чем в противном случае, и это означало бы большее сопротивление. Кроме того, на широкофюзеляжных самолетах, если вы столкнулись с максимальным моментом поперечного дисбаланса, у вас будет сопротивление элеронов, которого в противном случае у вас не было бы.

Будет ли поиск оптимальной загрузки сложным в вычислительном отношении?

Не совсем, особенно если дело в том, что все поддоны/контейнеры будут выгружаться в одном месте. Если есть более одного места разгрузки, это усложняется, поскольку вы хотите, чтобы эти поддоны, выходящие первыми, были расположены так, чтобы вы могли перемещать их к грузовой двери, не перемещая поддоны, не выходя из них.

Могут быть и другие ограничения. Например, предположим, что у вас есть поддон весом 30 000 фунтов, который нужно поместить на борт 747-100/200/400. Единственная область, которая может выдержать такой вес в поддоне одного размера M, находится над коробкой крыла. Это ограничивает вас использованием одной стороны из трех пар параллельных позиций. Допустим, вы поставили этот поддон с левой стороны самой задней пары бок о бок. Это нормально, но теперь вы ограничили правую сторону максимальным весом в 6250 фунтов.

Вы также должны следить за тем, чтобы не нарушались предельные значения совокупной нагрузки от передней части самолета до середины и от кормы до середины, и еще несколько других вещей.

Компьютерные программы для взвешивания и балансировки больших грузовых самолетов справлялись со всеми этими задачами с 1980-х годов. В 1988 году я написал DOS-приложение, которое делало все эти вещи и в итоге использовалось тремя грузовыми перевозчиками. Окончательно он был прекращен в 2016 году.

Алгоритм, который он использовал, был прямолинейным. Рассортируйте поддоны по весу и распределите от самого тяжелого к самому легкому. Поместите самый тяжелый в позицию, ближайшую к целевому центру. Затем поместите следующий поддон либо позади, либо впереди предыдущего, в зависимости от того, какой центр будет ближе всего к целевому центру, и так далее. После распределения каждой позиции он проверял, не было ли нарушено какое-либо ограничение. Если да, то он перераспределялся до тех пор, пока не было нарушений. Даже на медленных компьютерах эпохи DOS это никогда не занимало больше нескольких секунд.

Сколько грузовых поддонов/контейнеров помещается в большой грузовой самолет?

Зависит от размера контейнеров и размера самолета. Есть много вариантов. Перейдите на эту страницу размеров ULD, чтобы увидеть общие размеры. Для 747-х, перевозящих гражданские грузы, код размера M, вероятно, чаще всего используется на главной палубе с 29 или 30 местами. Код размера военного груза B был тем размером, который я в основном видел на главной палубе 747, обычно с 33 на борту.

Нижние зацепы на 747-х сильно различались в зависимости от используемых там ULD.

Если вы хотите изучить конфигурации грузовых позиций 747, перейдите на эту страницу веса и балансировки 747 . Меню POSITION CONFIG позволит вам выбрать различные конфигурации между 30, 29 и 33 позициями основной палубы. После выбора конфигурации вы можете прокрутить вниз, чтобы увидеть расположение (или нажать F6, либо клавишу левой навигационной кнопки).

Принятый ответ отлично описывает это с оперативной точки зрения, что, возможно, является ответом, который вы искали. Но позвольте мне обратиться к этому, возможно, с более фундаментальной точки зрения механики полета/аэродинамики: Да, загрузка, безусловно, влияет на эффективность самолета .

Фундаментальный принцип, по которому это происходит, заключается в триммерном сопротивлении: индуцированном сопротивлении, вызванном силой (обычно направленной вниз), создаваемой горизонтальным хвостовым оперением для балансировки самолета.

Аэродинамическая эффективность, которую можно описать отношением подъемной силы к сопротивлению.

$$\frac{L}{D} \: ,$$ прямо пропорциональна эффективности использования топлива. Если общее сопротивление увеличивается для фиксированной подъемной силы (читай, фиксированного веса самолета), аэродинамические характеристики и, следовательно, топливная экономичность снижаются.

Основное назначение горизонтального оперения - продольное управление, демпфирование и дифферент. Для балансировки самолета к горизонтальному оперению необходимо приложить усилие.$F_{ht}$чтобы гарантировать, что полный момент относительно центра тяжести самолета равен нулю, т. е. что он летит под фиксированным углом атаки. Как и в случае со всеми подъемными поверхностями, цена за эту подъемную силу (будь то вверх или вниз) - это индуцированное сопротивление:

$$D_i \: .$$ Сила горизонтального балансирования, необходимая для балансировки самолета, может быть весьма существенной, а индуктивное сопротивление горизонтального хвостового оперения зависит от квадрата силы хвостового оперения: $$D_i\propto F_{ht}^2 \: ,$$ поэтому увеличение силы приводит к большему, чем пропорциональное, увеличению сопротивления.

Возвращаясь к вашему вопросу: если груз расположен так, что центр тяжести самолета находится слишком далеко от нейтральной точки всего самолета (т. е. большой статический запас), горизонтальная хвостовая сила, необходимая для балансировки Самолет может быть значительным, и, следовательно, индуктивное сопротивление хвоста, которое масштабируется с квадратом силы, тем более.

Причинно-следственная цепочка примерно такая

$$\text{Too fore cargo loading} \rightarrow \text{Large static margin} \rightarrow \text{Large trim force} \rightarrow \text{Larger trim drag} \rightarrow \text{Decreased} \: \frac{L}{D} \rightarrow \text{Increased fuel burn}$$

Говоря обывательским языком...

Самолет должен находиться под определенным углом к ​​траектории полета. Для достижения этого центр тяжести (ЦТ) будет находиться именно в том месте, где он должен находиться для достижения этого угла, а эффективность использования топлива будет оптимальной.

На самом деле ЦТ придется корректировать путем «тримминга», т.е. установки горизонтальных стабилизаторов для достижения нужного угла тангажа. Однако это создает сопротивление и увеличивает расход топлива. Когда топливная экономичность стала приоритетом для клиентов, дизайнерам пришла в голову отличная идея! Имея топливо в горизонтальных стабилизаторах (ГС), можно управлять ЦТ в полете для достижения нужного шага. Это устраняет дополнительное сопротивление, а HS можно установить на минимальное значение сопротивления.

Фактический центр тяжести не остается постоянным на протяжении всего полета, по мере сжигания топлива центр тяжести смещается, поскольку топливные баки не имеют постоянного размера и имеют разное значение (в смысле центра тяжести) при разных уровнях топлива. Благодаря наличию хвостового бака топливо в баках управляется с максимальной эффективностью.

Хотя это довольно аккуратный материал, в нем нет ничего нового. Еще в конце шестидесятых Concorde использовал распределение топлива для управления тангажем, поскольку у него не было горизонтальных стабилизаторов.

Авиакомпании давно осознали, что обрезка действительно влияет на эффективность. У одной ближневосточной авиакомпании был «целевой» MACTOW для погрузочной ведомости. Хотя не всегда можно было добиться этого, было к чему стремиться. Точно так же европейская авиакомпания, в которой я работал, имела «оптимальное значение» в программном обеспечении для загрузки, поэтому вы постоянно знали, где лучше всего разместить компьютерную графику (это было в 90-х годах!). За 10-11 часов полета будет приличная экономия!