Definitionen av lastfaktor inom luftfarten och effekter på flygningen

Det mesta av en pilotelevs tid i grundskolan går åt till att lära sig hur flygplan flyger. Bara att behärska grunderna i rak och jämn, oaccelererad flygning är mycket förvirrande. Men för att förstå nyanserna i flygningens krafter krävs det att man förstår att de kritiska sakerna sker när saker och ting förändras. Idag ska vi ta en titt på lastfaktor.

När ett flygplan går in i en sväng förändras de aerodynamiska krafterna på flygplanet på ett sätt som varje pilot måste förstå. Lastfaktorn är ett av de mest relevanta resultaten – idén om att när bankvinkeln ökar så ökar också den belastning som flygplanet utsätts för.

Vad är lastfaktor?

Lastfaktorn kan ses som hur mycket flygplanets vikt ökar. Nej, det är inte möjligt att öka i vikt i luften. Men andra krafter än bara gravitationen verkar på ett flygplan under flygning, och dessa krafter ökar ibland. När detta händer blir resultatet en belastning på flygplanet som är större än bara vikten av planet och dess innehåll.

Då den uttrycks som en ”faktor” visas belastningen som ett förhållande mellan mängden lyftkraft som genereras och den skenbara vikten. Det är direkt relaterat till den mängd lyft som vingarna måste producera. Ett flygplan som drar 2 G behöver göra dubbelt så mycket lyft som ett flygplan som bara drar 1 G. Om belastningsfaktorn är 1 G, så läggs ingen extra belastning på och mängden lyft är lika med flygplanets beräknade vikt.

Det vanligaste sättet att öka lastfaktorn på ett flygplan är att sätta det i en bank. Men det är inte det enda sättet. Plötsliga manövrar ökar eller till och med minskar också lastfaktorn. Bild flygande längs med, och piloten rycker tillbaka kontrollerna plötsligt. Alla känner sig nedtryckta i sina säten när belastningsfaktorn ökar. På samma sätt, om du plötsligt trycker pinnen framåt minskar belastningen plötsligt och dramatiskt. När belastningsfaktorn sjunker under 1 G känns det tyngdlöst, om än bara tillfälligt.

Du måste också inse att dessa förnimmelser upplevs av allt i flygplanet och även av själva flygplanet. Och om för mycket kraft läggs på kan saker och ting gå sönder.

Att förstå vad som kan orsaka att belastningsfaktorn förändras är livsviktigt av flera skäl. För det första måste en pilot veta att när belastningsfaktorn ökar måste planet göra mer lyft för att hålla sig uppe. Därför måste piloten agera korrekt för att säkerställa den önskade flygbanan. Detta innebär att de måste flyga snabbare eller öka anfallsvinkeln.

Det är också viktigt att piloten förstår att ingenjörerna som konstruerade planet endast förväntade sig att det skulle ha specifika, förutsägbara belastningsmängder. Flygplan kan inte göras oändligt starka eftersom extra styrka kommer att skapa övervikt i skrovet och mindre nyttolast som planet kan bära. Konstruktörer och ingenjörer måste göra eftergifter i sin konstruktion. Därför utformar de varje flygplan så att det klarar en begränsad mängd belastningsfaktor.

FAA certifierar flygplan precis som de certifierar flygare. Kategorierna för luftfartyg omfattar bland annat normalflygplan, nyttoflygplan, akrobatikflygplan, transportflygplan och andra typer av flygplan. För att få en konstruktion certifierad måste den, som man kan förvänta sig, uppfylla kraven på minsta gränsbelastningsfaktor.

Aerodynamiken i en sväng

För att förstå varför lastfaktorn ökar i en sväng måste några grundläggande aerodynamiska principer först behandlas.

När flygplanet väl är etablerat i en bankning producerar vingarna inte längre enbart vertikal lyftkraft. Lyftet blir uppdelat på vertikal lyftkraft som håller flygplanet uppe och horisontell lyftkraft som drar planet in i en sväng. Den totala lyftet förblir vinkelrätt mot vingspannet.

Enligt Newtons tredje rörelselag finns det för varje handling en lika stor och motsatt reaktion. Det måste alltså finnas en lika stor och motsatt kraft till den horisontella lyftkraft som vingarna skapar. Denna kraft är centrifugalkraften, en effekt som drar flygplanet ut och bort från svängen.

Antagen att flygplanet befinner sig i en jämn sväng och inte stiger eller sjunker, kommer de motsatta krafterna som motsätter sig lyftet att vara lika stora och motsatta. Vikten, eller gravitationen, är motsatt vertikal lyftkraft. Centrifugalkraften är lika stor och motsatt horisontell lyftkraft. Sammantaget är dessa två krafter större än enbart vikten. Den totala summan av dessa krafter är lika och motsatt den totala lyftet.

Mängden av denna ökning är belastningsfaktorn. Den uttrycks som en faktor över normalvikten på 1 G. Ett flygplan på 2 400 pund som befinner sig i en 60 graders sväng upplever 2 Gs. Därför har det en total belastning på 4 800 pund.

Förändringar i stallhastighet

Då vingarna måste bära en högre vikt måste de göra det på ett av två sätt. Antingen måste de röra sig snabbare genom luften eller så måste de öka sin anfallsvinkel. I den här övningen antar vi att lufthastigheten förblir konstant. Med detta i åtanke kommer ett flygplan som flyger i 90 knop att behöva en större anfallsvinkel i en 60 graders sväng än ett flygplan som flyger rakt och plant.

En stall uppstår när vingen överskrider den kritiska anfallsvinkeln. Därför är flygplanet i en sväng mycket närmare den kritiska anfallsvinkeln än flygplanet i rak och jämn flygning.

Detta visar två viktiga saker. För det första visar det att ett flygplan kan stalla vid en mycket högre lufthastighet än de som anges på hastighetsmätaren. Detta visar att ett flygplan inte stallar vid en viss lufthastighet, utan snarare vid en viss anfallsvinkel.

För det andra visar det att stallhastigheten alltid kommer att öka i en sväng. Ju brantare bankvinkel, desto mer ökar stallhastigheten.

Limitbelastningsfaktorer i konstruktionen

Och även om konstruktörerna kan bygga ett flygplan hur de vill, fastställer FAA minimistandarder i USA. Om ett luftfartyg har ett FAA-luftvärdighetsbevis kan piloten veta att luftfartygets konstruktion uppfyller de minimistandarder som anges för typen av certifikat.

Detta är de miniminormer som FAA har fastställt för konstruktörer av flygplan. Vissa flygplan, särskilt konstflygplan, kan tolerera mycket högre G-krafter. De exakta specifikationerna för ett visst flygplan finns i flyghandboken (AFM) eller pilotens handbok (POH).

Hålla planet säkert

Ett annat kritiskt och närbesläktat begrepp är manövreringshastighet eller Va. Manöverhastighet tar den ganska abstrakta idén om utformade gränsbelastningsfaktorer och gör dem tillämpbara i en flygplanshytt.

I praktiken kan den beräknade Va för en flygning betraktas som säkerhetshastigheten. Under den hastigheten stannar flygplanet innan någon kraft kan bryta det. Det vill säga, när en farlig mängd belastning läggs till flygplanets vikt kommer vingarna inte att kunna åstadkomma denna mängd lyftkraft och kommer att stalla.

Som stallationer i allmänhet inte anses vara bra saker, i det här fallet avlastar stallationen flygplansskrovet från belastningen. I själva verket räddar flygplanet sig självt från skador genom att stalla sig självt. Om planet däremot flög tillräckligt snabbt för att kunna fortsätta flygningen och acceptera en pålagd belastning som är större än den konstruerade gränsbelastningsfaktorn kommer någon form av skada att uppstå.

Skador till följd av överbelastning av flygplansskrovet kan vara allt från något som inte märks under flygningen till ett katastrofalt fel på flygplansskroppens yta under flygningen. Tyvärr tröttnar metall på sätt som är svåra att upptäcka. Den kristallina strukturen hos metaller som aluminium gör dem mycket starka, men när deras bindningar bryts är det mycket troligare att de går sönder i framtiden.

Strängningar som uppstår på flygplansskrov till följd av att gränsbelastningsfaktorn överskrids kan försvaga metallen och orsaka ett katastrofalt fel vid någon annan tidpunkt i framtiden, på ett oförutsägbart sätt.

Manöverhastighet är en viktig V-hastighet för flygplanet att känna till, men den visas inte på hastighetsmätarens markeringar. Varför inte? Som visats ovan kommer stallhastigheten för ett flygplan att förändras när det lutar in i en sväng. Eftersom flygplanet kommer att stalla vid en högre lufthastighet kommer Va att förändras.

En annan faktor som gör att Va ändras är flygplanets vikt. När vikten ökar ökar Va eftersom det gör att vingen når den kritiska anfallsvinkeln tidigare.

Lastfaktorn behandlas ingående i FAA:s Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge, kapitel 5.

• De mänskliga faktorerna inom luftfarten
• 7 färdigheter som varje pilot bör ha
• Flygbanemarkeringar och skyltar på flygplatser förklaras

.