航空機の重心

航空機の重心（CG）は、航空機がバランスをとるポイントです。^[1]重心の位置は、少なくとも2組の計量器またはロードセルで航空機を支え、各計量器またはロードセルに表示される重量を記録した後で計算されます。重心は航空機の安定性に影響します。航空機が安全に飛行できるようにするには、重心が航空機メーカーによって設定された特定の制限内に収まっている必要があります。

バラスト

バラストは、航空機の重心を許容範囲内に収めるために使用される、取り外し可能または永久的に設置される重りです。

重心の限界

重心 (CG) 制限は、飛行中に航空機の重心がその範囲内になければならない縦方向 (前方および後方) および/または横方向 (左右) の制限です。CG 制限は、飛行機の飛行マニュアルに記載されています。制限間の領域は、航空機のCG 範囲と呼ばれます。

重量とバランス

航空機の重量がその構成（駐機中、地上移動中、離陸中、着陸中など）の許容限度以下であり、重心が許容範囲内にあり、飛行中その両方が維持される場合、その航空機は重量バランスの範囲内にあるとされます。状況に応じて異なる最大重量が定義される場合があります。たとえば、大型航空機では、最大着陸重量が最大離陸重量よりも低くなる場合があります（飛行中に燃料が燃焼するため、いくらかの重量が失われることが予想されるため）。燃料の燃焼や客室内での乗客の前方または後方への移動により航空機の重量が変化するため、飛行中に重心が変化する場合があります。

参照データ

基準面は、航空機のどの点に対しても正確で均一な測定を可能にする基準面です。基準面の位置は製造業者によって設定され、航空機の飛行マニュアルで定義されます。水平基準面は、航空機の縦軸に沿って配置された仮想の垂直面または点であり、重量とバランスの目的ですべての水平距離がそこから測定されます。その位置には固定された規則はなく、航空機の機首の前方に配置されます。ヘリコプターの場合、ローター マスト、ヘリコプターの機首、またはヘリコプターの前方の空間内の点に配置されることもあります。水平基準面は製造業者が選択した任意の場所に配置できますが、ほとんどの小型訓練用ヘリコプターでは、水平基準面がメイン ローター シャフトの中心線から 100 インチ前方に配置されています。これは、計算されたすべての値を正に保つためです。横方向の基準面は通常、ヘリコプターの中心に配置されます。^[2]

アーム

アームとは、基準データから物体の重心（CG）までの水平距離です。データムの後方または中心線の右側で測定した場合、代数符号はプラス（+）になります。データムの前方または中心線の左側で測定した場合、代数符号はマイナス（-）になります。^[1]

一瞬

モーメントは、物体の重量が基準データ距離のゼロ点を中心とした円弧を通して作用することによって生じる力のモーメント、またはトルクです。モーメントは、物体が点（この場合は基準データのゼロ点）を中心に回転または旋回する傾向とも呼ばれます。物体がこの点から離れるほど、その物体が及ぼす力は大きくなります。モーメントは、物体の重量とそのアームの積で計算されます。

平均空力弦長(MAC)

テーパード ウィングの特定の翼弦線。平均空力弦では、圧力中心は翼の残りの部分と同じ空力力、位置、面積を持ちます。MAC は、特定の条件における同等の長方形の翼の幅を表します。一部の航空機では、重心は MAC の長さのパーセンテージとして表されます。このような計算を行うには、MAC の前縁の位置を事前に知っておく必要があります。この位置は、基準データムからの距離として定義され、航空機のフライト マニュアルと航空機の型式証明書データ シートに記載されています。一般的な MAC が指定されておらず、LeMAC (前縁平均空力弦) と TeMAC (後縁平均空力弦) が指定されている場合 (どちらも基準線から測定されたアームとして参照されます)、LeMAC と TeMAC の差を見つけることで MAC を見つけることができます。

重心（CG）は次のように計算されます。

• 航空機内のすべての質量の重量とアームを決定します。
• モーメントを計算するには、すべての質量に対して重量と腕を掛けます。
• すべての瞬間を足し合わせます。
• すべての重量を合計します。
• 総モーメントを総重量で割ると、全体のアームが求められます。

この計算から得られるアームは、航空機メーカーが規定する重心制限内に収まっている必要があります。そうでない場合は、重心が規定の制限内に収まるまで、航空機の重量を取り除いたり、追加したり (まれに)、再配分したりする必要があります。

航空機の重心の計算は、航空機の縦軸を表す基準データのゼロ点から 1 つの軸に沿ってのみ実行されます (前後バランスを計算するため)。ヘリコプターの種類によっては、縦方向の制限だけでなく横方向の CG 制限も使用されます。このようなヘリコプターの運用には、縦方向の CG (前後バランス) の計算と横方向の CG (左右バランス) の計算の 2 つの軸に沿って CG を計算する必要があります。

航空機の固定アイテム (エンジン、翼、電子部品など) の重量、アーム、モーメントの値は変更されず、航空機装備リストで製造元によって提供されます。製造元は、燃料負荷のモーメントの計算を容易にする情報も提供します。取り外し可能な重量アイテム (乗務員、乗客、手荷物など) は、航空機オペレーターによる重量と CG の計算で適切に考慮される必要があります。

重心を見つけるには、総モーメントを総重量で割ります。193,193 / 2,055 = 基準面の後ろ 94.01 インチです。

大型の航空機では、重量とバランスは、平均空力弦長 (MAC) のパーセンテージとして表現されることがよくあります。たとえば、MAC の前縁が基準点から 62 インチ後方にあると仮定します。したがって、上で計算した CG は、MAC の前縁から 32 インチ後方にあります。MAC の長さが 80 インチの場合、MAC のパーセンテージは 32 / 80 = 40% です。許容限度が 15% から 35% の場合、航空機は適切に積載されません。

航空機の重量または重心が許容範囲外にある場合、航空機は飛行を維持できないか、または状況によっては水平飛行を維持できない可能性があり、場合によっては荷重移動が発生します。航空機の CG または重量が許容範囲外になると、航空機の避けられない墜落につながる可能性があります。

前後重心 (CG) が範囲外にある場合、航空機の制御に重大な問題が発生する可能性があります。前後重心は航空機の縦方向の安定性に影響し、CG が前方に移動するほど安定性が増し、CG が後方に移動するほど安定性が低下します。CG が前方にあると、航空機の安定性は増しますが、エレベータ制御の権限が低下し、機首を上げる能力が低下します。これにより、着陸フレア中に機首を十分に上げることができず、航空機を減速させることができないという深刻な状況が発生する可能性があります。CG が後方にあると、ピッチ安定性が低下し、エレベータ制御の感度が高くなるため、深刻な操縦上の問題が発生し、航空機を制御できなくなる可能性があります。燃料の燃焼により徐々に重量が減り、CG がシフトする可能性があるため、航空機が CG を通常の動作範囲内にして離陸しても、後で不均衡が生じて制御上の問題が発生する可能性があります。CG の計算では、この点を考慮する必要があります (多くの場合、この一部は製造元によって事前に計算され、CG 制限に組み込まれます)。

重量を移動させる量は次の式で求められます。

移動距離 = (総重量 * 重心変化) / 移動した重量

例：

1500 ポンド * 33.9 インチ = 50,850 モーメント (飛行機)
100 ポンド × 68 インチ = 8,400 モーメント (荷物)
重心 = 37 インチ = (50,850 + 8,400) / 1600 ポンド (重心制限の 1/2 インチ外)

荷物室に100ポンドのバッグを入れてCG 1を移動したいと考えています。

シフト距離 = (総重量 * 重心変化) / シフトした重量
16 インチ = (1600 ポンド * 1 インチ) / 100 ポンド

100 ポンドの問題をやり直すと、16 インチ前方に移動して 68 インチになり、CG が 1 インチ移動します。

1500 ポンド * 33.9 インチ = 50,850 モーメント (飛行機)
100 ポンド × 84 インチ = 6,800 モーメント (荷物)
cg = 36 インチ = (50,850 + 6,800) / 1600 ポンド
新しい重心 = 36インチ

飛行に最低重量を課す航空機はほとんどありませんが (パイロットの最低重量は指定されることが多いですが)、すべての航空機に最大重量が課せられます。最大重量を超えると、航空機は制御された飛行を達成または維持できなくなる可能性があります。離陸重量が多すぎると、利用可能な滑走路の長さ内で離陸できなくなるか、完全に離陸できなくなる可能性があります。飛行中の重量が多すぎると、特定の高度を超えて上昇することが困難または不可能になるか、高度を維持できなくなる可能性があります。

ヘリコプターの重心は、固定翼機よりもさらに重要です（重量の問題は同じです）。固定翼機と同様に、ヘリコプターは離陸時に適切に積載されているかもしれませんが、燃料タンクがほぼ空になる長い飛行の終わり近くには、CGが移動してヘリコプターが横方向または縦方向にバランスを崩す可能性があります。^[1]メインローターが1つしかないヘリコプターの場合、CGは通常メインローターマストの近くにあります。ヘリコプターの荷重のバランスが不適切であると、深刻な制御上の問題が発生する可能性があります。バランスの取れていない荷重状態は、ヘリコプターの制御を困難にするだけでなく、CGの位置と反対方向ではサイクリック制御の効果が低下するため、操縦性も低下します。

パイロットは、ホバリング飛行中に機体が水平に保たれるようにヘリコプターのバランスを完璧に取ろうとします。風の修正以外は周期的なピッチ制御は必要ありません。機体はローターから吊り下げられた振り子のように機能するため、重心が変化すると、ローターから航空機が吊り下げられる角度が変わります。重心がローター マストの真下にある場合、ヘリコプターは水平に吊り下げられます。重心がマストの前方に行き過ぎると、ヘリコプターの機首が下向きに傾き、重心がマストの後方に行き過ぎると、機首が上向きに傾きます。

重いパイロットと乗客が、ローターマストの後方にある手荷物や適切なバラストを積まずに離陸すると、前方重心が発生する可能性があります。燃料タンクがローターマストの後方にある場合、燃料が燃焼するにつれてローターマストの後方にある重量が減るため、この状況はさらに悪化します。

この状態は、垂直離陸後にホバリング状態になったときに認識できます。ヘリコプターは機首を下げた姿勢になり、無風状態でホバリングを維持するためには、パイロットはサイクリック コントロールを過度に後方に移動させる必要があります。この状態では、ヘリコプターが燃料を消費するにつれて、パイロットは急速にサイクリック コントロールの後方移動ができなくなる可能性があります。パイロットは、ヘリコプターを停止させるのに十分な減速が不可能であることに気付く場合もあります。エンジンが故障してオートローテーションが発生した場合、パイロットは着陸のために適切にフレアするためのサイクリック コントロールを十分に行えない可能性があります。

強風の中でホバリングする場合、無風のときよりもサイクリック コントロールの後方変位が少なくて済むため、前方 CG はそれほど顕著ではありません。臨界バランス状態が存在するかどうかを判断するには、風速とサイクリック コントロールの後方変位との関係を考慮することが重要です。

コックピットに適切なバラストがない場合、次の場合に後方 CG を超える可能性があります。

• 軽量のパイロットが、ローターマストの後方に燃料を満載した状態で単独で離陸します。
• 軽量のパイロットは、ローターマストの後方にある荷物室に許可された最大量の荷物を積んで離陸します。
• 軽量のパイロットは、ローターマストの後方にある手荷物と大量の燃料を組み合わせて離陸します。

後方 CG 状態は、垂直離陸後にホバリング状態になったときにパイロットが認識できます。ヘリコプターは尾部低姿勢になり、無風状態でホバリングを維持するためには、パイロットはサイクリック コントロールを過度に前方に移動させる必要があります。風がある場合は、パイロットはさらにサイクリックを前方に移動させる必要があります。この状態で飛行を続けると、機首低姿勢を維持するためのサイクリックの前方移動が不十分なため、パイロットは上限の対気速度範囲で飛行することが不可能な場合があります。さらに、極端に後方 CG になると、突風や荒れた空気によってヘリコプターがサイクリック コントロールを完全前方に移動させた場合よりも速い速度まで加速される可能性があります。この場合、揚力の非対称性とブレードのバタつきにより、ローター ディスクが後方に傾く可能性があります。完全な前方サイクリック コントロールが既に適用されているため、ローター ディスクを下げることができず、制御不能になるか、ローター ブレードがテール ブームに衝突する可能性があります。

固定翼航空機では、横方向のバランスは前後方向のバランスほど重要ではないことがよくあります。これは、航空機のほとんどの質量が中心に非常に近いためです。例外は燃料で、翼に積載される場合がありますが、燃料の積載は通常、航空機の軸に対して対称であるため、横方向のバランスは通常影響を受けません。燃料が航空機の両側のタンクに均等に積載されていない場合、または（小型航空機の場合）乗客が主に航空機の片側に集中している場合（小型航空機でパイロットが単独で飛行している場合など）、横方向の重心が重要になることがあります。制限内の CG の小さな横方向の偏差は、パイロットが補正しなければならない厄介なロール傾向を引き起こす可能性がありますが、飛行中 CG が制限内に収まっている限り危険ではありません。

ほとんどのヘリコプターでは、通常の飛行訓練や乗客飛行では横方向の CG を決定する必要はありません。これは、ヘリコプターのキャビンが比較的狭く、オプションの機器のほとんどがセンターラインの近くに配置されているためです。ただし、一部のヘリコプターのマニュアルでは、単独飛行を行う座席を指定しています。さらに、横方向の CG に影響を与える可能性のある、重いパイロットやヘリコプターの片側に満載の燃料があるなどの異常な状況がある場合は、その位置を CG エンベロープに対して確認する必要があります。水平飛行を維持するために大きな横方向のサイクリック コントロール変位を必要とする位置で外部荷重を運ぶ場合、前後方向のサイクリックの有効性が大幅に制限される可能性があります。

多くの大型輸送機は、着陸できる重量よりも重い重量で離陸することができます。これは、飛行中、または地上に駐機またはタキシングしているときに翼が翼幅に沿って支えることができる燃料の重量が、翼幅に沿って支えが分散されていない着陸および接地のストレス中に耐えられる重量よりも大きいために可能になります。

通常、航空機の重量のうち最大着陸重量を超える部分 (ただし最大離陸重量の範囲内) は、すべて燃料で構成されています。航空機が飛行するにつれて燃料が燃焼し、着陸準備が整う頃には最大着陸重量を下回っています。ただし、航空機を早めに着陸させなければならない場合、機内に残っている燃料によって航空機が最大着陸重量を超えてしまうことがあります。このような場合、航空機は損傷を避けるために、着陸前に燃料を燃焼させる (待機パターンで飛行する) か、燃料を投棄する (航空機に装備されている場合) 必要があります。緊急時には、航空機は重量超過で着陸することを選択できますが、これにより航空機が損傷する可能性があり、少なくとも重量超過で着陸した場合は、損傷がないか徹底的に点検する必要があります。

場合によっては、航空機が故意に重量超過で離陸することがあります。例としては、余分な燃料を積んだ状態で非常に長い距離をフェリーで運航する航空機が挙げられます。重量超過での離陸には通常、非常に長い滑走路が必要です。乗客を乗せた状態での重量超過の運航は許可されていません。

多くの小型航空機の最大着陸重量は最大離陸重量と同じであり、その場合、過剰な燃料を搭載していることによる重量超過着陸の問題は発生しません。

このセクションでは、大型商用輸送機に関するNASAエイムズ研究助成金から得られたデータを示します。 ^{[3] [4]}

運用 CG 範囲は飛行の離陸および着陸段階で使用され、許容 CG 範囲は地上操作中 (つまり、航空機に乗客、手荷物、燃料を積み込むとき) に使用されます。

• エア・ミッドウエスト5481便: 2003年1月、ビーチ1900D型機が最大重量を500ポンド(230kg)以上超過し、大部分が後部に積載されていたため重心は5%後方にあった。墜落し、搭乗していた21人全員が死亡した。^[5]
• 2005年2月、ニュージャージー州テターボロを出発したチャレンジャー600は、前方に荷物を積みすぎて重心制限を超えて回転できず、空港のフェンスを突き破って建物に衝突し、乗員3名が重傷を負い、機体が破壊された。^[5]
• 2010年8月、フィレアレットL-410がコンゴ民主共和国で墜落した。事故の原因は、乗客の1人が機内に持ち込んだワニから逃れるために乗客が機体の前方に駆け寄ったことによるものと伝えられている。この動きにより機体のバランスが崩れ、機体の制御が失われた。^[6]
• 2013年7月、デ・ハビランド・カナダのDHC-3オッターがアラスカ州ソルドトナを出発し、旋回後に失速し、ブレーキ解除地点から2,300フィート（700メートル）離れた地点に墜落した。機体は418ポンド（190キログラム）の過積載で、重心は後方限界よりかなり後方にあった。乗員10人全員が死亡した。^[5]

• 航空記事の索引
• 重量配分

• フレッド・ジョージ (2018 年 6 月 22 日)。「航空機の重量の完全性: 実際の重量を知ることの重要性」。ビジネスおよび商業航空。Aviation Week Network。