Centro de gravedad de una aeronave

El centro de gravedad (CG) de una aeronave es el punto sobre el cual se equilibra. ^{[ 1 ]} Su posición se calcula después de apoyar la aeronave sobre al menos dos básculas o celdas de carga y registrar el peso en cada una. El centro de gravedad afecta la estabilidad de la aeronave. Para garantizar la seguridad del vuelo, el centro de gravedad debe estar dentro de los límites especificados por el fabricante.

Lastre

El lastre es un peso extraíble o instalado de forma permanente en una aeronave que se utiliza para situar el centro de gravedad dentro del rango permitido.

Límites del centro de gravedad

Los límites del centro de gravedad (CG) son límites longitudinales (hacia adelante y hacia atrás) y/o laterales (hacia la izquierda y hacia la derecha) dentro de los cuales debe ubicarse el centro de gravedad de la aeronave durante el vuelo. Estos límites se indican en el manual de vuelo del avión. El área comprendida entre dichos límites se denomina rango del centro de gravedad de la aeronave.

Peso y equilibrio

Cuando el peso de la aeronave está en o por debajo del límite permitido para su configuración (estacionada, en movimiento en tierra, despegue, aterrizaje, etc.) y su centro de gravedad se encuentra dentro del rango permitido, y ambos se mantendrán así durante la duración del vuelo, se dice que la aeronave está en peso y equilibrio . Se pueden definir diferentes pesos máximos para diferentes situaciones; por ejemplo, las aeronaves grandes pueden tener pesos máximos de aterrizaje inferiores a los pesos máximos de despegue (debido a que se espera una pérdida de peso al consumirse combustible durante el vuelo). El centro de gravedad puede cambiar durante la duración del vuelo a medida que el peso de la aeronave varía debido al consumo de combustible o al movimiento de los pasajeros hacia adelante o hacia atrás en la cabina.

Datum de referencia

El plano de referencia es un plano que permite realizar mediciones precisas y uniformes en cualquier punto de la aeronave. La ubicación del plano de referencia la establece el fabricante y se define en el manual de vuelo de la aeronave. El plano de referencia horizontal es un plano o punto vertical imaginario, situado a lo largo del eje longitudinal de la aeronave, desde el cual se miden todas las distancias horizontales para fines de peso y equilibrio. No existe una regla fija para su ubicación, y puede estar situado delante de la nariz de la aeronave. En el caso de los helicópteros, puede estar situado en el mástil del rotor, en la nariz del helicóptero o incluso en un punto del espacio delante del helicóptero. Si bien el plano de referencia horizontal puede estar en cualquier lugar que elija el fabricante, la mayoría de los helicópteros pequeños de entrenamiento lo tienen situado a 100  pulgadas delante del eje central del rotor principal. Esto se hace para mantener todos los valores calculados positivos. El plano de referencia lateral suele estar situado en el centro del helicóptero. ^{[ 2 ]}

Brazo

El brazo es la distancia horizontal desde el punto de referencia hasta el centro de gravedad (CG) de un elemento. El signo algebraico es positivo (+) si se mide hacia atrás del punto de referencia o a la derecha de la línea central al considerar un cálculo lateral. El signo algebraico es negativo (−) si se mide hacia adelante del punto de referencia o a la izquierda de la línea central al considerar un cálculo lateral. ^{[ 1 ]}

Momento

El momento es el momento de fuerza, o torque , que resulta del peso de un objeto actuando a través de un arco centrado en el punto cero de la distancia de referencia. El momento también se conoce como la tendencia de un objeto a rotar o pivotar alrededor de un punto (el punto cero de la referencia, en este caso). Cuanto más lejos esté un objeto de este punto, mayor será la fuerza que ejerce. El momento se calcula multiplicando el peso de un objeto por su brazo de palanca.

Cuerda aerodinámica media (MAC)

Una cuerda específica de un ala cónica. En la cuerda aerodinámica media, el centro de presión tiene la misma fuerza aerodinámica , posición y área que en el resto del ala. La MAC representa el ancho de un ala rectangular equivalente en condiciones dadas. En algunas aeronaves, el centro de gravedad se expresa como un porcentaje de la longitud de la MAC. Para realizar dicho cálculo, se debe conocer de antemano la posición del borde de ataque de la MAC. Esta posición se define como una distancia desde el datum de referencia y se encuentra en el manual de vuelo de la aeronave y también en la hoja de datos del certificado de tipo de la aeronave . Si no se proporciona una MAC general, pero sí una LeMAC (cuerda aerodinámica media del borde de ataque) y una TeMAC ( cuerda aerodinámica media del borde de salida ) (ambas referenciadas como un brazo medido desde la línea de datum), entonces su MAC se puede encontrar calculando la diferencia entre su LeMAC y su TeMAC.

El centro de gravedad (CG) se calcula de la siguiente manera:

• Determinar los pesos y brazos de palanca para toda la masa dentro de la aeronave.
• Multiplica los pesos por los brazos para calcular los momentos de toda la masa.
• Suma todos los momentos.
• Suma todos los pesos.
• Divide el momento total entre el peso total para obtener el brazo total.

El brazo resultante de este cálculo debe estar dentro de los límites del centro de gravedad establecidos por el fabricante de la aeronave. De no ser así, se deberá reducir, aumentar (en raras ocasiones) o redistribuir el peso de la aeronave hasta que el centro de gravedad se encuentre dentro de los límites prescritos.

Los cálculos del centro de gravedad de las aeronaves se realizan únicamente a lo largo de un solo eje desde el punto cero del datum de referencia que representa el eje longitudinal de la aeronave (para calcular el equilibrio longitudinal). Algunos tipos de helicópteros utilizan límites de centro de gravedad laterales además de los longitudinales. La operación de estos helicópteros requiere el cálculo del centro de gravedad a lo largo de dos ejes: un cálculo para el centro de gravedad longitudinal (equilibrio longitudinal) y otro para el centro de gravedad lateral (equilibrio longitudinal).

Los valores de peso, brazo y momento de los elementos fijos de la aeronave (motores, alas, componentes electrónicos) no varían y son proporcionados por el fabricante en la lista de equipamiento. El fabricante también facilita el cálculo de los momentos para cargas de combustible. Los elementos de peso desmontables (tripulación, pasajeros, equipaje) deben ser debidamente considerados por el operador de la aeronave en el cálculo del peso y el centro de gravedad.

Cuando el peso o el centro de gravedad de una aeronave se encuentran fuera del rango aceptable, es posible que la aeronave no pueda mantener el vuelo o que le resulte imposible mantenerlo nivelado en algunas o todas las circunstancias, lo que en ocasiones puede provocar un desplazamiento de la carga . Si el centro de gravedad o el peso de una aeronave se encuentran fuera del rango permitido, puede producirse un accidente inevitable.

distancia de desplazamiento = (peso total * cambio del centro de gravedad) / peso desplazado

1500 lb * 33,9 pulg = 50 850 momento (avión) 100 lb * 84 pulg = 8400 momento (equipaje) cg = 37 pulgadas = (50,850 + 8,400) / 1600 libras (1/2 pulgada fuera del límite del cg)

Desplazamiento de la distancia = (peso total * cambio del centro de gravedad) / peso desplazado 16 pulgadas = (1600 libras * 1 pulgada) / 100 libras

1500 lb * 33,9 pulg = 50 850 momento (avión) 100 lb * 68 pulgadas = 6800 momentos (equipaje) cg = 36 pulgadas = (50,850 + 6,800) / 1600 libras nuevo cg = 36 pulgadas

El centro de gravedad es aún más crítico para los helicópteros que para los aviones de ala fija (los problemas de peso siguen siendo los mismos). Al igual que con los aviones de ala fija, un helicóptero puede estar correctamente cargado para el despegue, pero cerca del final de un vuelo largo, cuando los tanques de combustible están casi vacíos, el CG puede haberse desplazado lo suficiente como para que el helicóptero pierda el equilibrio lateral o longitudinal. ^{[ 1 ]} Para los helicópteros con un solo rotor principal, el CG suele estar cerca del mástil del rotor principal. Un desequilibrio en la carga de un helicóptero puede provocar graves problemas de control. Además de dificultar el control del helicóptero, una condición de carga desequilibrada también disminuye la maniobrabilidad, ya que el control cíclico es menos efectivo en la dirección opuesta a la ubicación del CG.

El piloto intenta equilibrar perfectamente el helicóptero para que el fuselaje permanezca horizontal en vuelo estacionario, sin necesidad de control de cabeceo cíclico salvo para corregir el viento. Dado que el fuselaje actúa como un péndulo suspendido del rotor, al cambiar el centro de gravedad se modifica el ángulo de inclinación de la aeronave. Cuando el centro de gravedad se encuentra directamente debajo del mástil del rotor, el helicóptero permanece horizontal; si está demasiado adelantado, el helicóptero se inclina hacia abajo; si está demasiado retrasado, se inclina hacia arriba.

En las aeronaves de ala fija, el equilibrio lateral suele ser mucho menos crítico que el equilibrio longitudinal, simplemente porque la mayor parte de la masa se concentra cerca de su centro. Una excepción es el combustible, que puede cargarse en las alas, pero como la carga de combustible suele ser simétrica respecto al eje de la aeronave, el equilibrio lateral no suele verse afectado. El centro de gravedad lateral puede volverse importante si el combustible no se carga uniformemente en los tanques a ambos lados de la aeronave o (en el caso de aeronaves pequeñas) cuando los pasajeros se ubican predominantemente en un lado (como un piloto que vuela solo en una aeronave pequeña). Pequeñas desviaciones laterales del centro de gravedad, dentro de los límites, pueden causar una molesta tendencia al alabeo que los pilotos deben compensar, pero no son peligrosas siempre que el centro de gravedad se mantenga dentro de los límites durante todo el vuelo.

Para la mayoría de los helicópteros, no suele ser necesario determinar el centro de gravedad lateral (CG) para la instrucción de vuelo y los vuelos de pasajeros. Esto se debe a que las cabinas de los helicópteros son relativamente estrechas y la mayoría del equipo opcional se ubica cerca del eje central. Sin embargo, algunos manuales de helicópteros especifican el asiento desde el cual debe realizarse el vuelo en solitario. Además, si se presenta una situación inusual, como un piloto de gran peso y una carga completa de combustible en un lado del helicóptero, que podría afectar el CG lateral, su posición debe verificarse con respecto a la envolvente del CG. Si se transportan cargas externas en una posición que requiere un gran desplazamiento lateral del control cíclico para mantener el vuelo nivelado, la efectividad del cíclico longitudinal podría verse drásticamente limitada.

Muchos aviones de transporte de gran tamaño pueden despegar con un peso mayor al que pueden aterrizar. Esto es posible porque el peso del combustible que las alas pueden soportar a lo largo de su envergadura en vuelo, o cuando están estacionadas o rodando por tierra, es mayor que el que pueden tolerar durante el aterrizaje, cuando el soporte no se distribuye a lo largo de la envergadura del ala.

Normalmente, la parte del peso de la aeronave que excede el peso máximo de aterrizaje (pero se encuentra dentro del peso máximo de despegue) está compuesta enteramente de combustible. Durante el vuelo, el combustible se consume y, para cuando la aeronave está lista para aterrizar, su peso es inferior al máximo permitido. Sin embargo, si una aeronave debe aterrizar antes de tiempo, a veces el combustible restante a bordo la mantiene por encima del peso máximo de aterrizaje. En estos casos, la aeronave debe quemar el combustible (volando en patrón de espera) o descargarlo (si está equipada para ello) antes del aterrizaje para evitar daños. En caso de emergencia, una aeronave puede optar por aterrizar con sobrepeso, pero esto puede dañarla y, como mínimo, un aterrizaje con sobrepeso requerirá una inspección exhaustiva para comprobar si hay daños.

En algunos casos, una aeronave puede despegar con sobrepeso deliberadamente. Un ejemplo podría ser una aeronave que se traslada a larga distancia con combustible adicional a bordo. Un despegue con sobrepeso generalmente requiere una pista excepcionalmente larga. No se permiten operaciones con sobrepeso cuando hay pasajeros a bordo.

Muchas aeronaves más pequeñas tienen un peso máximo de aterrizaje que coincide con el peso máximo de despegue, en cuyo caso no pueden surgir problemas de aterrizaje con sobrepeso debido al exceso de combustible a bordo.

Esta sección muestra datos obtenidos de una subvención de investigación de la NASA Ames para grandes aeronaves de transporte comercial. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

El rango operativo del centro de gravedad (CG) se utiliza durante las fases de despegue y aterrizaje del vuelo, y el rango permisible del centro de gravedad (CG) se utiliza durante las operaciones en tierra (es decir, mientras se carga la aeronave con pasajeros, equipaje y combustible).

• Vuelo 5481 de Air Midwest : en enero de 2003, un Beech 1900D despegó con más de 230 kg (500 lb) de exceso de peso, principalmente en la parte trasera, por lo que su centro de gravedad se encontraba un 5 % más atrás. Se estrelló, causando la muerte de las 21 personas a bordo. ^{[ 5 ]}  
• En febrero de 2005, un Challenger 600 que despegó de Teterboro, Nueva Jersey , con la carga tan adelantada que superaba el límite del centro de gravedad y no podía girar , se estrelló contra la valla del aeropuerto contra un edificio, hiriendo gravemente a tres ocupantes y destruyendo la aeronave. ^{[ 5 ]}
• En agosto de 2010, un Filair Let L-410 se estrelló en la República Democrática del Congo. Según los informes, el accidente se produjo cuando los ocupantes corrieron hacia la parte delantera del avión para escapar de un cocodrilo que uno de los pasajeros había introducido de contrabando a bordo. Esta maniobra comprometió el equilibrio de la aeronave hasta el punto de perder el control. ^{[ 6 ]}
• En julio de 2013, un avión de Havilland Canada DHC-3 Otter despegó de Soldotna, Alaska , entró en pérdida tras una rotación y se estrelló a 700 m (2300 pies ) de su punto de liberación de frenos, ya que estaba sobrecargado con 190 kg (418 lb) y su centro de gravedad se encontraba muy por detrás del límite trasero. Los diez ocupantes fallecieron. ^{[ 5 ]}    

• Índice de artículos sobre aviación
• Distribución del peso

• Fred George (22 de junio de 2018). "Integridad del peso de las aeronaves: la importancia de conocer los pesos reales" . Aviación comercial y empresarial. Aviation Week Network .