等效飛行航跡在民用飛機(jī)噪聲適航審定中的運(yùn)用

閆國(guó)華，李 捷

(中國(guó)民航大學(xué)航空工程學(xué)院，天津300300)

0 引 言

隨著民航業(yè)近年來的迅速發(fā)展，如何降低民用飛機(jī)產(chǎn)生的噪聲這是各國(guó)民航局以及國(guó)際民航組織(International Civil Aviation Organization，ICAO)關(guān)心的問題。在新型民用飛機(jī)適航審定中，對(duì)于噪聲的評(píng)定有一套嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。適航審定過程中，需要對(duì)邊線、飛躍和進(jìn)近三個(gè)點(diǎn)進(jìn)行噪聲值測(cè)量和審定，每一個(gè)點(diǎn)都需要進(jìn)行六次以上的有效噪聲數(shù)據(jù)采集[1]?？紤]到在噪聲合格審定試驗(yàn)過程中對(duì)試驗(yàn)機(jī)場(chǎng)、試驗(yàn)大氣環(huán)境以及試驗(yàn)設(shè)備的嚴(yán)格要求，為了降低適航成本和噪聲對(duì)機(jī)場(chǎng)環(huán)境的影響。需要在較短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行盡可能多的飛行試驗(yàn)。飛機(jī)可以采用適航規(guī)章所允許的等效切入、離開航段的方法[2]。這樣既節(jié)省了試驗(yàn)成本，又達(dá)到了減少機(jī)場(chǎng)噪聲的目的。

1 等效飛行航段算法

在新型飛機(jī)噪聲適航審定過程中，用于計(jì)算有效感覺噪聲級(jí)(Effective Perceived Noise Leve，EPNL)的區(qū)間被稱為10 dB降區(qū)間，該區(qū)間是與最大純音修正感覺噪聲級(jí)(Maximum Tone Corrected Perceived Noise Level，PNLTM)相差在10 dB以內(nèi)的飛行區(qū)域。每次試驗(yàn)的有效數(shù)據(jù)必須包括 10 dB降區(qū)間的噪聲數(shù)據(jù)。根據(jù)中國(guó)民航規(guī)章36部(China Civil Aviation Regulations-36，CCAR36)[1]，可以采用規(guī)定所接受的等效飛行程序來采集噪聲數(shù)據(jù)。等效飛行程序只需要飛行試驗(yàn)航段包括10 dB降區(qū)間即可。

要得到等效飛行區(qū)域，首先要得出整個(gè)飛行試驗(yàn)階段的噪聲數(shù)據(jù)，然后找到該飛行試驗(yàn)的航跡，再找到噪聲10 dB降區(qū)間所對(duì)應(yīng)的飛行區(qū)域，該區(qū)域就是噪聲測(cè)量的有效區(qū)域，這個(gè)飛行區(qū)域是進(jìn)行等效程序的等效飛行航段必須包括的部分。

1.1 噪聲數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)傳聲器所檢測(cè)到的是24個(gè)50～10000 Hz范圍內(nèi) 1/3倍頻程[3]聲壓級(jí)數(shù)據(jù)。依據(jù)國(guó)際民航組織(International Civil Aviation Organization，ICAO)附件16[4]中提供的聲壓級(jí)和感覺噪度換算表，就可以得到總感覺噪度N(k) (k表示噪聲測(cè)量時(shí)段)，再根據(jù)中國(guó)民航規(guī)章36部(China Civil Aviation Regulations-36，CCAR36)部提供的計(jì)算公式[1]，就能得到瞬時(shí)感覺聲壓級(jí)(Perceived Noise Level，PNL)，即

式(1)中，N(k)代表測(cè)量的第k時(shí)段的總感覺噪度。

得到瞬時(shí)感覺聲壓級(jí)之后，具有頻譜不規(guī)則形狀的噪聲必須確定修正因子C(k)，然后得到純音修正感覺噪聲級(jí)(Tone Corrected Perceived Noise Level，PNLT)，即

得到每 0.5 s的純音感覺噪聲級(jí)之后，找到其PNLTM。相對(duì)于最大純音感覺噪聲級(jí)的10 dB降區(qū)間就是適航審定所需要的有效數(shù)據(jù)采集區(qū)間，如圖1所示。圖1中，kF表示10 dB降區(qū)間的起始點(diǎn)，kM表示最大純音修正感覺噪聲級(jí)點(diǎn)，kL表示10 dB降區(qū)間的結(jié)束點(diǎn)。

圖1 10 dB降區(qū)間示例Fig.1 Example of 10dB drop interval

1.2 航跡計(jì)算

在得到飛機(jī)起飛和進(jìn)近噪聲數(shù)據(jù)之后，可以根據(jù) ICAO在飛機(jī)適航審定中的推薦航跡算法[6]，算出飛機(jī)標(biāo)準(zhǔn)航跡。以DC-9飛機(jī)為例，飛機(jī)飛行航跡需要知道的飛行參數(shù)可以從飛機(jī)噪聲與性能數(shù)據(jù)庫(kù)(Aircraft Noise and Performance, ANP)中查詢，所以根據(jù)航跡推薦算法和ANP 數(shù)據(jù)庫(kù)就可以得到飛機(jī)默認(rèn)起飛和進(jìn)近的航跡圖[7]。

1.3 起飛和進(jìn)近剖面10 dB降區(qū)間

要進(jìn)行航空器適航審定等效程序，關(guān)鍵在于找出空間上的切入點(diǎn)和離開點(diǎn)。切入點(diǎn)早于10 dB降區(qū)間起始點(diǎn)，離開點(diǎn)晚于10 dB降區(qū)間結(jié)束點(diǎn)。所以只要找出10 dB降區(qū)間對(duì)應(yīng)到航跡上的位置，就可以得到切入點(diǎn)和離開點(diǎn)的位置，也就可以得到等效飛行航段。飛行員可以根據(jù)等效飛行航段在適航審定的時(shí)候進(jìn)行試驗(yàn)飛行。DC-9為100座左右單通道干線飛機(jī)，這類飛機(jī)與現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外廣泛使用的空客A320和波音737型號(hào)類似，同時(shí)也和正在進(jìn)行適航審定的國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)C919相似。所以根據(jù)分析該飛機(jī)起降噪聲數(shù)據(jù)和飛行程序得到的等效程序，可以廣泛應(yīng)用。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 邊線噪聲10 dB降區(qū)間

在該機(jī)型某次標(biāo)準(zhǔn)起飛實(shí)驗(yàn)過程中[7]，結(jié)合邊線上某一個(gè)測(cè)量點(diǎn)測(cè)量得到的一次典型的起飛的邊線 1/3倍頻程聲壓級(jí)噪聲數(shù)據(jù)[8]，對(duì)應(yīng)起飛剖面進(jìn)行分析。

通過對(duì)比測(cè)量時(shí)間和起飛滑跑時(shí)間，可以得到飛機(jī)邊線噪聲10 dB降區(qū)間在起飛航跡上的起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)。圖2給出了純音修正感覺噪聲級(jí)的 10 dB降區(qū)間，綠色點(diǎn)是區(qū)間起始點(diǎn)，紅色點(diǎn)是區(qū)間結(jié)束點(diǎn)。圖3中黃色點(diǎn)表示是傳聲器的位置，綠色點(diǎn)表示10 dB降區(qū)間初始點(diǎn)，紅色點(diǎn)表示10 dB降區(qū)間結(jié)束點(diǎn)。

2.2 飛躍噪聲10 dB降區(qū)間

圖2 飛機(jī)起飛噪聲10 dB降區(qū)間Fig.2 The 10 dB drop interval of aircraft takeoff noise

圖3 起飛剖面上邊線噪聲10 dB降區(qū)間Fig.3 The 10 dB drop interval of aircraft sideline noise in takeoff path

起飛噪聲還存在一個(gè)飛躍測(cè)量點(diǎn)，對(duì)飛躍測(cè)量點(diǎn)的噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之后得到隨時(shí)間變化的純音修正感覺噪聲級(jí)。對(duì)比起飛剖面和起飛時(shí)間，當(dāng)?shù)貢r(shí)間10時(shí)42分 46秒到 10時(shí) 43分5.5秒為10 dB降區(qū)間，得到飛機(jī)飛躍噪聲10 dB降區(qū)間在起飛航跡上的起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)，如圖4和圖5所示。

圖4 飛機(jī)飛躍噪聲10 dB降區(qū)間Fig.4 The 10 dB drop interval of aircraft flyover noise

圖5 起飛剖面上飛躍噪聲10 dB降區(qū)間Fig.5 The 10 dB drop interval of aircraft flyover noise in takeoff path

2.3 進(jìn)近噪聲10 dB降區(qū)間

一次完整的噪聲測(cè)試還包括飛機(jī)進(jìn)場(chǎng)著陸時(shí)的進(jìn)近噪聲測(cè)量點(diǎn)所測(cè)到的噪聲數(shù)據(jù)，通過計(jì)算一次飛機(jī)進(jìn)近1/3倍頻程聲壓級(jí)噪聲數(shù)據(jù)，可以得到飛機(jī)進(jìn)近10 dB降區(qū)間起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)，如圖6所示。對(duì)照飛機(jī)飛行程序，找出飛機(jī)進(jìn)場(chǎng)著陸時(shí)間，就可以找到對(duì)應(yīng)航跡上的10 dB降區(qū)間，如圖7所示。傳聲器離著陸點(diǎn)相距1280 m，圖7中黑點(diǎn)就是傳聲器所在位置。根據(jù)傳聲器檢測(cè)到的噪聲數(shù)據(jù)，10 dB降區(qū)間一共持續(xù)5 s。從本次測(cè)試時(shí)間對(duì)照可知，10 dB降區(qū)間開始1 s飛機(jī)位置正好在傳聲器位置正上方。所以得到如圖7所示的飛機(jī)剖面線上10 dB降區(qū)間的開始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)。

圖6 飛機(jī)進(jìn)近噪聲10 dB降區(qū)間Fig.6 The 10 dB drop interval of aircraft approaching noise

圖7 進(jìn)近剖面上進(jìn)近噪聲10 dB降區(qū)間Fig.7 The 10 dB drop interval of aircraft approaching noise in approaching path

2.4 等效飛行航跡圖

找到飛機(jī)剖面圖上三個(gè)測(cè)量點(diǎn)的10 dB降區(qū)間的位置之后[10]，為了達(dá)到節(jié)約適航成本和節(jié)能減排的目的，按照CCAR36部[7]的要求，可以進(jìn)行等效飛行，只需在每一個(gè)10 dB降區(qū)間切入點(diǎn)之前切入標(biāo)準(zhǔn)航跡，結(jié)束點(diǎn)之后飛離標(biāo)準(zhǔn)航跡。如圖8(a)所示，起飛等效區(qū)間應(yīng)該包括邊線10 dB降區(qū)間和飛躍10 dB降區(qū)間，如圖8(b)所示, 進(jìn)近等效航跡只需要將進(jìn)近10 dB降區(qū)間包括在航跡之內(nèi)，因?yàn)檎麄€(gè)包含有效噪聲數(shù)據(jù)的飛行航段都包含在了等效飛行過程中，所以該測(cè)試程序得到的噪聲數(shù)據(jù)是有效的。

整個(gè)飛行剖面圖如圖8所示，在進(jìn)行適航審定飛行測(cè)試的時(shí)候，飛行員可以按照如圖8中黑線所示的飛行航跡進(jìn)行飛行，在不需要進(jìn)行著陸和進(jìn)行完完整的起飛和進(jìn)近程序的情況下也能得到適航審定所需要的噪聲數(shù)據(jù)。

圖8 等效航跡圖Fig.8 Equivalent flight paths

3 結(jié) 論

(1) 根據(jù)噪聲監(jiān)測(cè)三個(gè)測(cè)量點(diǎn)噪聲數(shù)據(jù)和ANP數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)計(jì)算得到起飛和進(jìn)近剖面圖上三個(gè)10 dB降區(qū)間；

(2) 根據(jù)三個(gè) 10 dB降區(qū)間規(guī)劃出適航等效飛行航跡，既保證了數(shù)據(jù)的有效性，又達(dá)到了降低機(jī)場(chǎng)噪聲的目的；

(3) 以此試驗(yàn)和計(jì)算程序?yàn)橐勒?，為工程技術(shù)人員在國(guó)內(nèi)大飛機(jī)項(xiàng)目C919以及未來寬體客機(jī)的噪聲適航審定過程中提供可以參考的試驗(yàn)方法。

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