W kontekście projektowania i konserwacji statku powietrznego, terminy przeciwwaga i balast mają generalnie oddzielne i różne znaczenia.

Obie koncepcje dotyczą używanej masy do równoważenia, tłumienia lub regulacji sił wokół osi obrotu. Chociaż balast można również opisać jako rodzaj przeciwwagi, najlepiej jest go rozumieć jako działający w układzie odniesienia całego statku powietrznego, ponieważ dostosowuje on środek ciężkości samolotu (CG). I odwrotnie, przeciwwagi mogą być rozumiane jako działające w układzie odniesienia, który jest mniejszy niż statek powietrzny jako całość, na przykład silnik lub powierzchnia sterowa.

Omówię każdą z nich oddzielnie.

Przeciwwagi

Przeciwwagi służą przede wszystkim do trzech funkcji w projektowaniu samolotów: wyważania powierzchni sterowych, kontrolowania skoku śmigła i wyważania wałów korbowych w silnikach tłokowych.

Powierzchnie sterujące

Przeciwwagi służą do równoważenia powierzchni sterowych wokół osi zawiasu, aby uniknąć potencjalnie niebezpiecznego trzepotania sterowania. Ta równowaga jest bardzo ważna. Piloci zazwyczaj sprawdzają bezpieczeństwo konstrukcji przeciwwagi podczas inspekcji wstępnej, jeśli to możliwe. Mechanicy muszą ponownie sprawdzić wyważenie powierzchni sterów po malowaniu, a malowanie powierzchni sterowych jest wykluczone z listy elementów konserwacji zapobiegawczej, które operator statku powietrznego może wykonywać bez licencji mechanika.

Z Podręcznika mechaniki płatowca A&P AC65 -15A:

Jest to stan niewyważenia, który może powodować szkodliwe trzepotanie lub trzepotanie samolotu i dlatego musi zostać wyeliminowany. Najlepiej jest to osiągnąć, dodając ciężarki wewnątrz lub na przedniej krawędzi zaczepów, lotek lub w odpowiednim miejscu na panelach balansu.

Poniższy fragment z Cessna 172M IPC pokazuje przeciwwagi windy, 23 , podświetlone na niebiesko:

Śmigła

Przeciwwagi są używane w niektórych konstrukcjach śmigieł o stałej prędkości w celu zwiększenia skoku łopat. Ciśnienie oleju silnikowego jest wykorzystywane do przezwyciężenia siły przeciwwagi, która powoduje cofnięcie łopatek śruby napędowej do właściwego skoku. W projektach z piórami przeciwwagi pomagają w przemieszczaniu łopatek do pozycji opierzonej.

Z podręcznika A&P Mechanics Powerplant AC65-12A:

Śmigła, które mają przeciwwagi przymocowane do zacisków łopatek, wykorzystują siłę odśrodkową pochodzącą z przeciwwag w celu zwiększenia swędzenia łopatek. Siła odśrodkowa spowodowana obrotem śmigła ma tendencję do przesuwania przeciwwag w płaszczyźnie obrotu, zwiększając w ten sposób skok łopatek.

Wtapianie uzyskuje się poprzez zwolnienie ciśnienia oleju regulatora, co pozwala przeciwwagom i sprężynowym piórom na wtapianie ostrzy. Odbywa się to poprzez pociągnięcie regulatora nachylenia z powrotem do granicy jego skoku. który otwiera port w regulatorze, umożliwiając spłynięcie oleju ze śruby napędowej z powrotem do silnika. Czas potrzebny do wtopienia zależy od wielkości kanału olejowego od śruby napędowej do silnika oraz siły wywieranej przez sprężynę i przeciwwagi.

AC65-12A Rys. 7-11:

Wały korbowe

Przeciwwagi są używane w silnikach tłokowych zarówno do statycznego, jak i dynamicznego wyważania.

Z podręcznika A&P Mechanics Powerplant Handbook AC65-12A:

Wyważenie wału korbowego
Nadmierne wibracje w silniku powodują nie tylko zmęczenie konstrukcji metalowych, ale powoduje również szybkie zużycie ruchomych części. W niektórych przypadkach nadmierne wibracje są powodowane przez wał korbowy, który nie jest wyważony. Wały korbowe są wyważone w celu zapewnienia równowagi statycznej i dynamicznej. Wał korbowy jest wyważony statycznie, gdy masa całego zespołu czopów korbowych, korby policzki, a przeciwwagi są wyważone wokół osi obrotu. Podczas sprawdzania wyważenia statycznego wału korbowego umieszcza się go na dwóch krawędziach noża. Jeśli wałek ma tendencję do obracania się w dowolną pozycję podczas testu, nie ma równowagi statycznej. Wał korbowy jest wyważany dynamicznie, gdy wszystkie siły wytwarzane przez obrót wału korbowego i impulsy mocy są w sobie równoważone, tak że podczas pracy silnika wytwarzane są niewielkie lub żadne wibracje. Aby ograniczyć do minimum wibracje podczas pracy silnika, na wale korbowym zastosowano dynamiczne amortyzatory. Dynamiczny amortyzator to po prostu wahadło, które jest tak przymocowane do wału korbowego, że może się swobodnie poruszać po małym łuku. Jest wbudowany w zespół przeciwwagi. Niektóre wały korbowe zawierają dwa lub więcej takich zespołów, z których każdy jest przymocowany do innego policzka korby. Odległość, na jaką porusza się wahadło, oraz jego częstotliwość drgań odpowiadają częstotliwości impulsów mocy silnika. Kiedy występuje częstotliwość drgań wału korbowego, wahadło oscyluje poza czasem wraz z drganiami wału korbowego, zmniejszając w ten sposób wibracje do minimum.

Dynamiczne tłumiki
Dynamiczny amortyzator zastosowany w jednym silniku składa się z ruchomej, szczelinowej, stalowej przeciwwagi przymocowanej do policzka korby. Dwa stalowe kołki w kształcie szpuli wchodzą do szczeliny i przechodzą przez duże otwory w przeciwwadze i policzku korby. Różnica w średnicy między sworzniami a otworami zapewnia efekt wahadła.

Z instrukcji remontu Continental O-300:

Wały korbowe C-145 i 0-300 mają łopatki wystające z każdej strony policzka między czopami nr 1 i 2 w celu zamocowania dynamicznych przeciwwag amortyzatora. Każde ostrze ma dwa przewiercone otwory i stalową tuleję. Szczelinowe przeciwwagi pasują do ostrzy i mają przewiercone otwory i tuleje pasujące do wału. Wymiary tulei zapewniają żądaną częstotliwość.

Poniżej przedstawiono przeciwwagi wału korbowego O-300, który jest oddzielany do przeglądu:

^{Źródło: opracowanie własne}

Balast

Balast zapewnia tymczasową lub stałą zmianę ogólnego środka ciężkości samolotu. Balast może stanowić stałą część początkowego lub zmodyfikowanego projektu. Kiedy byłem na szkoleniu w locie, używaliśmy starych opon lotniczych wypełnionych betonem jako balastem, aby umieścić W&B U206G w pobliżu maksymalnej masy całkowitej i konfiguracji CG na rufie do części szkolenia w lotach górskich. dobrze.

Z Ogólnego podręcznika mechaniki A&P AC65-9A (ten AC jest anulowany, ale pochodzi z mojego starego wydania drukowanego i nadal jest aktualny):

Balast jest używany w samolocie, aby osiągnąć pożądane Cg saldo. Zwykle znajduje się tak daleko do tyłu lub jak najdalej do przodu, aby doprowadzić c.g. w granicach przy użyciu minimalnej ilości wagi. Balast, który jest instalowany w celu skompensowania usunięcia lub instalacji elementów wyposażenia i który ma pozostawać w samolocie przez długi czas, nazywany jest balastem stałym. Zwykle są to ołowiane pręty lub płyty przykręcone do konstrukcji samolotu.

Tymczasowy balast lub wyjmowany balast służy do spełnienia określonego obciążenia warunki, które mogą się zmieniać od czasu do czasu. Zwykle ma postać worków śrutowych, worków z piaskiem lub innych przedmiotów obciążających, które nie są zainstalowane na stałe.

Przeciwwagi w pierwotnym pytaniu pochodziły ze steru Boeinga 747, więc wyjaśnię, do czego służą. Odpowiedź Johna Waltera wystarczająco dobrze obejmuje wszystkie zastosowania balastów i balastu, więc chcę tylko wyjaśnić, dlaczego powierzchnie sterowe wymagają balastów.

Krótka odpowiedź brzmi: aby umieścić środek ciężkości na gumie, a nawet przed nią linii powierzchni sterowej w celu ograniczenia obciążenia podmuchami i tłumienia trzepotania. To samo można osiągnąć dla pełnego skrzydła, kiedy silniki odrzutowe są umieszczone przed skrzydłem.

Najpierw rozważ lotkę bez masy wyważającej. Jego sprężysta oś jest linią zawiasową, a jej środek ciężkości może znajdować się na jednej trzeciej cięciwy, więc znajduje się za elastyczną osią. Teraz wyobraź sobie, co się dzieje, gdy samolot, do którego przymocowana jest ta lotka, leci w wyniku pozytywnego podmuchu: Skrzydło wygina się, a obciążenia bezwładnościowe uniemożliwiają lotkom unoszenie się razem ze skrzydłem. Jednakże, ponieważ jest przymocowany do skrzydła na zawiasie, jego przednia krawędź zostanie podniesiona, co spowoduje pozytywne wychylenie lotek. Dodaje to miejscowe pochylenie i zwiększa miejscową siłę nośną, dzięki czemu ruch zginania jest zintensyfikowany. W pewnym momencie skrzydło przestaje poruszać się w górę, a zmagazynowana energia sprężysta odwraca ruch zginający: skrzydło zaczyna się opuszczać i ponownie lotka będzie się opóźniać, zmniejszając teraz lokalne siły nośne i ponownie intensyfikując ruch zginający. Obejrzyj ten film, aby zobaczyć wynikowy ruch (przerażające rzeczy zaczynają się od 2:40):

Teraz możesz argumentować, że w 747 mocne siłowniki hydrauliczne powstrzymują lotkę w ruchu: Tak, ale system sterowania jest wystarczająco elastyczny, aby pozwolić lotce poruszać się o kilka stopni, co jest wystarczające, aby wzmocnić ruch zginający. Szybowiec w filmie miał skrzydła o wysokim współczynniku kształtu, wykonane z dość elastycznego materiału (żywica epoksydowa z włókna szklanego), więc trzepocze z małą prędkością, gdy energie i częstotliwości są niskie. Niemniej jednak po nakręceniu filmu trzeba było go wyremontować: okucia sterujące były prawie całkowicie zużyte.

Rozważmy teraz ten sam układ, ale z masą wyważającą: lotka będzie albo pozostaje neutralny, jeśli jego środek ciężkości znajduje się na linii sprężystej, albo nawet przeciwdziała ruchowi zginającemu, jeśli środek ciężkości znajduje się przed linią zawiasu. Zmniejszone zostaną zarówno obciążenia szczytowe, jak i ryzyko trzepotania. Bardziej przyjemne siły kontrolne to tylko efekt uboczny; Głównym powodem jest zapobieganie zerwaniu powierzchni sterowych lub nawet całego skrzydła.

Mechanizm jest taki sam dla steru, ale tutaj elastyczność pochodzi z długiej rury kadłuba, która zostanie skręcona przez obciążenia boczne na ogonie pionowym. Ponownie, tylko przy wystarczającej masie wyważającej można uniknąć samonapędzającego się charakteru skręcającego się kadłuba, który kołysze pionowym ogonem w lewo i prawo.

Poza opisem be @Jonathan Walters istnieje również wymóg umieszczenia środka masy całego samolotu w marginesie.

W typowym samolocie pasażerskim jesteś ograniczony co do tego, jak długo możesz zrobić ogon, zanim podejmiesz ryzyko uderzenia ogonem, ale mniej, ile możesz zrobić nos.

Tak więc stosunkowo prostym sposobem uzyskania większej przestrzeni ładunkowej jest wydłużenie kadłuba samolotu przed skrzydłami, co powoduje zwiększenie ciężaru przed skrzydłami i tylnym podwoziem, zmniejszając jego zdolność do lotu i jego możliwość faktycznego umieszczenia ładunku w nowo utworzonej przestrzeni. Następnie, jeśli zrównoważysz to ciężarkami w ogonie, możesz umieścić więcej ładunku w przedniej części i nadal wykonać właściwy start.

Przeciwwagi są używane do zapewniania sił przesunięcia w sterowaniu lotem. Zapewnia to sterom lepsze wyczucie i siłę sprzężenia zwrotnego, a także zmniejsza nacisk wymagany do poruszania sterami. Odbywa się to również za pomocą „klapek”, które wykorzystują ciśnienie powietrza z podobnych powodów.

Balast służy do równoważenia samolotu w celu uzyskania lepszej kontroli i stabilności podczas lotu. Ma to kluczowe znaczenie, ponieważ niemożliwe jest zbudowanie samolotu, który jest idealnie wyważony w miejscu, w którym ma się znajdować środek ciężkości. Wiele innych czynników, poza faktycznym płatowcem, wpływa na środek ciężkości: siedzenia, zainstalowana awionika i inne zainstalowane funkcje lub wyposażenie. Wszystko to należy wziąć pod uwagę, aby samolot miał odpowiedni początkowy środek ciężkości.

Latałem wieloma samolotami (lekkimi samolotami oraz małymi i średnimi odrzutowcami), które wymagały dodatkowego balastu, aby zrównoważyć nierównowagę w ładunku lub gdy pasażerowie siedzą lub po prostu lepiej wyważą samolot, gdy był pusty, miał usunięte wyposażenie lub siedzenia lub po prostu nie miał żadnych pasażerów. Czasami korzystałem z 25-kilogramowych worków „Lead Shot” używanego do przeładowywania nabojów do strzelby jako balastu w ładowni na rufie (znowu było to w mniejszych samolotach, takich jak prywatne odrzutowce). to może być 100-200 funtów tak daleko, jak to możliwe, aby zapewnić jak największą dźwignię, w miarę potrzeb.

Jeśli chodzi o próbę utrzymania jak największej lekkości samolotu, to prawda, jednak jest to tak ważne, aby samolot był "zrównoważony" i nie można tego zrobić poprzez zmiany konstrukcyjne, że koszt ciężaru przeciwwag lub balastu nie ma znaczenia.

Były pilot myśliwca i pilotem Private Jet / Corporate Jet