Definitionen af belastningsfaktor i luftfarten og virkningerne på flyvningen

Det meste af en pilotelevs tid i grundskolen går med at lære, hvordan flyvemaskiner flyver. Bare det at beherske de grundlæggende principper for lige og jævn flyvning uden acceleration er rigeligt forvirrende. Men for at forstå nuancerne i flyvningens kræfter er det nødvendigt at forstå, at de kritiske ting sker, når tingene ændrer sig. I dag skal vi se på belastningsfaktoren.

Når et fly går ind i et sving, ændres de aerodynamiske kræfter på flyet på en måde, som enhver pilot skal forstå. Belastningsfaktoren er et af de mest relevante resultater – tanken om, at når hældningsvinklen øges, øges også den belastning, der pålægges flyet.

Hvad er belastningsfaktor?

Belastningsfaktoren kan opfattes som, hvor meget flyets vægt øges. Nej, det er ikke muligt at øge vægten midt i luften. Men der virker andre kræfter end blot tyngdekraften på et fly under flyvning, og disse kræfter øges nogle gange. Når dette sker, er resultatet en belastning af flyet, der er større end blot vægten af flyet og dets indhold.

Da den udtrykkes som en “faktor”, vises belastningen som et forhold mellem den genererede løftemængde og den tilsyneladende vægt. Den er direkte relateret til den mængde løft, som vingerne skal producere. Et fly, der trækker 2 G, skal producere dobbelt så meget løft som et fly, der kun trækker 1 G. Hvis belastningsfaktoren er 1 G, pålægges der ingen ekstra belastning, og mængden af løft er lig med flyets beregnede vægt.

Den mest almindelige måde at øge belastningsfaktoren på et fly på er at sætte det i en bank. Men det er ikke den eneste måde. Pludselige manøvrer øger eller endog mindsker også belastningsfaktoren. Billede flyver videre, og piloten rykker styringen pludselig tilbage. Alle føler sig presset ned i deres sæder, da belastningsfaktoren stiger. På samme måde, hvis du pludselig skubber pinden fremad, reduceres belastningen pludselig og dramatisk. Når belastningsfaktoren falder til under 1 G, føles tingene vægtløse, om end kun midlertidigt.

Vis også, at disse fornemmelser mærkes af alt i flyet og endda af selve flyet. Og hvis der anvendes for stor kraft, kan tingene gå i stykker.

Forståelse af, hvad der kan få belastningsfaktoren til at ændre sig, er af afgørende betydning af et par grunde. For det første skal en pilot vide, at når belastningsfaktoren stiger, skal flyet lave mere løft for at holde sig i luften. Derfor skal denne pilot handle korrekt for at sikre den ønskede flyvebane. Det betyder, at han skal flyve hurtigere eller øge angrebsvinklen.

Dertil kommer, at piloten skal forstå, at de ingeniører, der konstruerede flyet, kun forventede, at det skulle have bestemte, forudsigelige belastningsmængder påført. Fly kan ikke gøres uendeligt stærke, da ekstra styrke vil skabe overvægt i flyskroget og mindre nyttelast, som flyet kan bære. Designere og ingeniører må gøre indrømmelser i deres design. Derfor konstruerer de hvert fly således, at det kan modstå en begrænset belastningsfaktor.

FAA certificerer fly, ligesom de certificerer flyvere. Kategorierne for fly omfatter bl.a. normale fly, brugsfly, akrobatiske fly, transportfly og andre flytyper. Som man kan forvente, skal et design for at blive certificeret opfylde kravene til minimumsgrænsebelastningsfaktor for at blive certificeret.

Aerodynamikken i et sving

For at forstå, hvorfor belastningsfaktoren stiger i et sving, skal nogle grundlæggende aerodynamiske principper først gennemgås.

Når flyet er etableret i en hældning, producerer vingerne ikke længere kun vertikal løft. Løft bliver fordelt på lodret løft, der holder flyet i luften, og vandret løft, der trækker flyet ind i et sving. Den samlede løftning forbliver vinkelret på vingefanget.

I henhold til Newtons tredje bevægelseslov er der for enhver handling en lige stor og modsatrettet reaktion. Der må altså være en lige stor og modsatrettet kraft i forhold til den horisontale løft, som vingerne skaber. Denne kraft er centrifugalkraften, en effekt, der trækker flyet ud og væk fra svinget.

Antaget at flyet befinder sig i et jævnt sving og ikke stiger eller falder, vil de modsatrettede kræfter i forhold til løft være lige store og modsatrettede. Vægt, eller tyngdekraften, er modsat lodret løft. Centrifugalkraften er lige og modsat vandret løft. Når de to kræfter lægges sammen, er de to kræfter større end vægten alene. Den samlede sum af disse kræfter er lig med og modsat det samlede løft.

Størrelsen af denne forøgelse er belastningsfaktoren. Den udtrykkes som en faktor over den normale vægt på 1 G. Et fly på 2.400 pund, der befinder sig i et 60 graders sving med en hældning på 60 grader, oplever 2 Gs. Derfor har det en samlet belastning på 4.800 pund.

Ændringer i stallhastighed

Da vingerne skal bære en højere vægt, skal de gøre det på en af to måder. Enten skal de bevæge sig hurtigere gennem luften, eller de skal øge deres angrebsvinkel. I denne øvelse antager vi, at lufthastigheden forbliver konstant. Med dette in mente vil et fly, der flyver med 90 knob, have brug for en større angrebsvinkel i et 60 graders skråtsving end et fly, der flyver ligeud og vandret.

Et stall opstår, når vingen overskrider den kritiske angrebsvinkel. Derfor er flyet i et sving meget tættere på den kritiske angrebsvinkel end flyet i lige og jævn flyvning.

Dette viser to vigtige ting. For det første viser det, at et fly kan gå i stall ved en meget højere flyvehastighed end dem, der er angivet på flyvehastighedsmåleren. Dette understreger, at et fly ikke går i stå ved en bestemt flyvehastighed, men snarere ved en bestemt angrebsvinkel.

For det andet viser det, at stallhastigheden altid vil stige i et sving. Jo stejlere hældningsvinklen er, jo mere stiger stallhastigheden.

Limitbelastningsfaktorer i konstruktionen

Mens konstruktørerne kan bygge et fly, som de vil, fastsætter FAA minimumsstandarder i USA. Hvis et luftfartøj har et FAA-luftdygtighedsbevis, kan piloten vide, at luftfartøjets konstruktion opfylder de minimumsstandarder, der er anført for den pågældende type bevis.

Dette er de minimumskrav, som FAA har fastsat for konstruktører af luftfartøjer. Nogle fly, især aerobatiske fly, kan tåle meget højere G-styrker. For de nøjagtige specifikationer for et bestemt fly henvises til Aircraft Flight Manual (AFM) eller Pilot’s Operating Handbook (POH).

Hold flyet sikkert

Et andet kritisk og nært beslægtet begreb er manøvrehastighed eller Va. Manøvrehastighed tager den ret abstrakte idé om konstruerede grænsebelastningsfaktorer og gør dem anvendelige i et flyvecockpit.

I praksis kan den beregnede Va for en flyvning opfattes som sikkerhedshastigheden. Under denne hastighed vil flyet gå i stå, før nogen kraft kan bryde det. Det vil sige, at når der tilføjes en farlig mængde belastning til flyets vægt, vil vingerne ikke være i stand til at skabe denne mængde løft og vil gå i stall.

Selv om stall generelt ikke betragtes som en god ting, aflaster stall i dette tilfælde belastningen af flyskroget. Ved at stalle flyet redder det faktisk sig selv fra enhver skade. Hvis flyet derimod fløj hurtigt nok til, at det kunne fortsætte flyvningen og acceptere en pålagt belastning, der er større end den konstruerede grænsebelastningsfaktor, vil der opstå en eller anden form for skade.

Skader som følge af overbelastning af flyskroget kan spænde fra noget, der ikke bemærkes under flyvningen, til et katastrofalt svigt af flyskrogets overflade under flyvningen. Desværre udmattes metal på måder, der er vanskelige at opdage. Den krystallinske struktur i metaller som aluminium gør dem meget stærke, men når først deres bindinger er brudt, er der langt større sandsynlighed for, at de svigter i fremtiden.

Spændinger, der opstår på flystel som følge af overskridelse af grænsebelastningsfaktoren, kan svække metallet og forårsage et katastrofalt svigt på et andet tidspunkt i fremtiden, på uforudsigelig vis.

Manøvrehastighed er en vigtig V-hastighed for flyet at kende, men den er ikke vist på flyvehastighedsmålerens markeringer. Hvorfor ikke? Som påvist ovenfor vil et flys stallinghastighed ændre sig, når det går ind i et sving. Da flyet vil gå i stå ved en højere flyvehastighed, vil Va ændre sig.

En anden faktor, der får Va til at ændre sig, er flyets vægt. Når vægten stiger, stiger Va, fordi det vil få vingen til at nå den kritiske angrebsvinkel hurtigere.

Belastningsfaktoren er behandlet indgående i FAA’s Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge, kapitel 5.

• De menneskelige faktorer i luftfarten
• 7 færdigheder, som enhver pilot bør have
• Flyvepladsmarkeringer og skilte på landingsbaner forklaret