第一章飞机载重与平衡控制

第一章載重與平衡控制1-1為何需要載重與平衡影響飛機飛行安全最重要的因素是載重與平衡，一架超重的航空器或重心不在規定範圍之內，是非常危險而且沒有效率。

在航空器設計之初，設計者暨工程師必須將飛機的載重與平衡考量在適當的位置，當航空器進行營運操作時，駕駛員及航空維修技術人員接續起此責任。

現代航空器運用最佳技術和材料，使得航空器在最高速度、最大載重還能飛行最遠距離。

在實際操作與維修時，必須要保持當時設計與製造的效能。

不同的航空器有不同的載重需求，例如：運輸用途：高負載、長距離、高高度且高速。

軍事用途：高機動性、高強度。

商業用途：高速且長距離、是當地負重。

農業用途：大負載、短距離、機動性高和容易操作。

訓練及私人用途：重量輕、低價、結構簡單、容易操作且安全係數高。

如果不考慮航空器的個別差異，有兩種共通的特性需考慮，一是對重量的限制，一是對重心的範圍必須侷限於規定之範圍內。

前者在航空器設計之初就決定最大重量(maximum weight)，所有航空器最大授權重量及設備列表都在都根據機型認證資料表（TCDS-Type Certificate Data Sheets），依照操作時的狀況，機翼或旋翼所能提供升力之大小，決定航空器起飛重量，此外航空器結構強度也會限制飛行安全的最大重量，理想重心的位置及重心所能移動的最大範圍，都是經過設計者精心計算。

所謂重心(center of gravity,CG)可視為飛機上某一點，將飛機在空中懸掛起會保持水平平衡姿態，通常我們計算飛機重心是利用下列公式：飛機總力矩飛機重心（從參考線算起）＝飛機總重製造廠商會提供航空器空重及空重重心的位置，所謂空重（empty weight）是指機身、發動機及其它安裝在飛機上固定或永久性設備重量之和，空重重心就是上述設備的水平平衡點。

航空維修技術人員在維修航空器或操作維修檢查工作要記錄最新的載重與平衡資料，尤其是經過修理(repairs)或變更(alterations)，更要記錄其變化。

在每一次飛行前駕駛員要知道航空器最大容許總重，及重心限制。

因此在駕駛員飛行檢查前，就要知道飛機的負載及重心有無在限制範圍之內。

在航太科技進步的同時，載重與平衡的技術因航空器的容量、效能及發動機數目的增加而日漸繁雜，因此需要駕駛員與飛機維修技術人員，知道並瞭解載重與平衡控制，如何操作和維持航空器重量重量和重心的位置，或者在重心範圍之外，如何調整貨物以矯正重心回復至允許範圍內。

1-2載重控制重量是飛機在結構與操作的最重要參數，過重會讓航空器降低效能、緊急情況時增加危險係數。

設計航空器經常是以最輕材質、最高強度為主，機翼或旋翼是設計可支持最大容許總重，若航空器重量繼續增加，那麼機翼或旋翼必須增加額外的升力，機身結構除了靜態的重量增加，還有飛行操縱之際的加速度所造成的動態負載增加。

例如3000磅的航空器水平飛行，機翼提供之升力就是3000磅，若以傾斜60度急速轉彎，飛機動態負載所瘦之力就是6000磅。

劇烈的不協調動作或飛進擾動氣流之內，同樣會讓結構受到動態負載的衝擊，嚴重時足以產生失效，正常情況的動態負載設計其負載因子是可承受飛機總重的3.8倍，多用途種類的航空器在操作時需要支持負載因子至4.4，特技表演飛機甚至強度必須支撐結構至負載因子6.0。

升力的產生是來自翼切形形狀、攻角角度、相對風的速度和空氣的密度，航空器從高的密度高度（壓力高度以非標準溫度做矯正）機場起飛，需要的速度將會比在海平面高度之機場起飛速度更快，才會有足夠的升力，暗示著跑道長度要增加，比一般所用到的跑道距離要更長，這時候要查駕駛員操作手冊或飛機飛航手冊查閱在此種高度、溫度、風向、風速和的跑道情況，所能允許最大重量是多少。

1-3載重影響大部分現代飛機都是設計讓航空公司有一些彈性空間，如果將飛機座位全部坐滿，行李艙塞滿行李，所有油箱加滿燃油，那麼航空器一定就會超重。

這種類型的設計理念在於此次飛行的目的何在？最大距離或最大載重？如果最大距離是必須的，捨棄人員與行李的重量來達成目標。

如果要求最大載重，那麼機上的燃油量會減少，飛行距離也會縮短。

航空器超重將引起以下一些問題：＊航空器需要更大起飛速度，表示需要更長的跑道距離。

＊降低爬升率、爬升角度。

＊降低實用升限（service ceiling），實用升限是指標準大氣情況維持每分鐘100呎之穩定速率爬升，可達到的最大高度。

＊降低巡航速度＊所短巡航距離。

＊機動性或靈敏度降低。

＊著陸速度變高，增加著陸跑道長度。

＊超重將衝擊結構，引起損傷，尤其是起落架。

駕駛員操作手冊或飛機飛航手冊都有相關圖表供參考，指示重量與飛航性能的關係，提出飛行前計畫時，要參考這些圖表決定飛機載重，期使飛行計畫能安全達成。

1-4改變重量最大允許總重在設計之初已經決定，實際操作時最大的操作重量一定少於最大允許重量，如剛才所提的高密度高度機場起飛，或起飛機場與著陸機場的跑道長度，都與重最大起飛重量有關，或者跑道情況異常，如潮濕草地、跑道積水等。

另一個重要因素是飛行前航空器載重的分佈情形，裝載時保持重量低於最大允許總重還不夠，重心須在重心限制範圍之內，可由駕駛員操作手冊或飛機飛航手冊內查到相關係數。

當重心太前面，可分配較重之乘客到較後面的位置，或將行李、貨物移動到後艙，如果重心是太後面同樣地方式，將較重的旅客、行李、貨物移到前貨艙。

然由裝載要保持橫向平衡（balanced laterally,使飛機機翼保持水平的傾向），駕駛員與飛機維修技術人員必須詳讀駕駛員飛行手冊及航空器飛航手冊，確記保持航空器平衡。

直昇機的載重與平衡比起一般航空器更為嚴謹，在起飛時須適當的負載，遇到長途飛行的最後旅程，或是油箱燃油即將用盡時，直昇機的重心將會超出橫向或縱向重心範圍。

所以在做直昇機長途飛行計畫要考慮著陸問題，要再度檢查確認，若是燃油用盡重心有無在死許範圍之內。

航空器越小越需要考慮座位問題，不管是前後座位或左右相鄰座位，一旦有分配座位且考慮重心因素後，乘客必須按照分配之座位而坐。

航空器飛行時間久了，重量將逐漸增加，在看不到的地方或難以清除、打掃的，都會累積垃圾、污泥、灰塵等，隔離的座艙內吸收濕氣，累積這些小重量久了回逐漸影響航空器的平衡。

此外，改變固定的設備位置，變更或增加新設備，都是影響航空器最主要因素，許多航空器增加額外儀表及新型通訊設備而超重，不過很幸運地，即使儀表增加或新增通訊儀器，但在淘汰舊儀器的過程之中，新式的儀器都是非常精巧且重量輕，足可彌補重量的損失。

但我們注意的重點在重心位置的改變，總重的變化。

修理與變更航空器亦是另一主要因素，此項動作由飛機維修技術專門人員實施，執行完要計算新的重心及記錄新的空重、新的空重重心。

飛機維修積數人員實施年度或100小時檢查必須確認載重與平衡資料是最新且最正確，讓駕駛員得以使用新數據作載重與平衡計算。

1-5穩定與平衡控制航空器之平衡控制是仰賴重心位置，在飛行之中決定是否安全的主要因素，就是航空器的穩定。

只要重心點飛行時都在重心範圍之內，即是一次安全的飛行。

橫向與縱向穩定（飛機俯仰平衡之力）一樣重要，在探討飛機載重與平衡，主要是討論縱軸（從機首到機尾）穩定平衡。

飛機設計成穩定飛行，保持直線、水平地飛，通過調整負載使駕駛員鬆手時亦能保持平穩。

調整方式是設定重心稍微在升力中心之前，產生一個與空速無關、讓機首向下的力，若水平尾翼是設計成下反角，空速增加時產生一個使飛機向下的力，那麼這時候飛機就會平衡。

遇到上升氣流引起機首向上，飛機速度變慢，尾翼向下之力也跟著降低。

集中在重心點的力會拉飛機回復平衡。

如果機首是在飛行之中往下降，空速將會增加，空速增加帶動尾翼下反角往下之力隨之增加，同樣使飛機回復平衡。

只要重心維持在中心限度範圍內，飛機就會有充分的縱向穩定和控制，如果重心太後面，太靠近升力中心，飛機飛行將不穩定，而且很難從失速（stall）回復，這樣的飛機進入失速螺旋，將無法回復平飛姿態。

重心太前面，下反角機尾要維持飛機水平飛行，負載就會增加，這樣增加機尾負載如同在飛機上增加載重，飛機飛行就要用高攻角飛行，阻力會大增，若重心非常地往前，尾翼升降舵將失去作用，毫無轉寰餘地，甚至失效。

更嚴重的問題在於低速起飛時，升降舵不能產生足夠升力讓飛機起飛，著陸時無法使飛機平飛，兩者都使所需要的跑道長度增加。

現代的高性能軍用戰鬥機是增加中性縱向穩定性，一般是處於危險的操縱狀態，應用自動駕駛的快速反應才能操作。

基本的飛機設計會以橫向對稱存在，飛機以中心線分左右兩邊（或船尾線），左邊增加重量，右邊要有相對應重量的項目才會平衡。

橫向平衡會遭不當的燃油裝載、不對稱的燃油消耗破壞，在計算載重與平衡時，通常都沒有計算橫向平衡，不過駕駛員要意識到橫向不平衡所帶來不利的影響，可用副翼配平片矯正，直到在較重那一邊燃油消耗到兩邊平衡為止。

副翼配平片的偏移會使較重一邊得到額外的升力補償，同時與產生額外的阻力，飛機飛行也就沒有效率。

直昇機的橫向平衡影響比飛機更嚴重，將重的貨物、乘客或燃油放在同一邊，回會導致重心偏離限制，飛行時不穩定，也可以在外部攜帶額外重量將重心位移，控制或維持飛行時平衡，重心偏前端或後端時，此種方法效率不彰。

後掠翼飛機對燃油左右平衡更嚴格，使用外側油箱使飛機重心前移，使用內側油箱時重心將往後移，基於此種原因，使用高速噴射發動機的後掠翼航空器使用燃又有嚴格的先後順序。

航空器在正常操作與維修，才會表現出當初設計的性能，大部分都與載重與平衡相關，調整載重與平衡的參數直接影響航空器飛行表現，後面會繼續提到。