探討基于航跡分段的飛行程序噪聲評估

摘 要：為達(dá)到降低飛機(jī)產(chǎn)生的噪聲對機(jī)場周邊造成的影響的目的，根據(jù)飛行程序的噪聲評估方法和航跡分段模型的噪聲評估方法，選擇合理的對飛行程序進(jìn)行噪聲評估的方法。

關(guān)鍵詞：飛行程序；噪聲；航跡分段；評估

中圖分類號：V216.54 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）36-0240-02

1 引 言

近年來，我國的國民經(jīng)濟(jì)以及航空運(yùn)輸?shù)葮I(yè)務(wù)規(guī)模的逐漸擴(kuò)大，機(jī)場和空中交通流量的增加，機(jī)場的飛機(jī)噪聲已變成影響航空業(yè)健康發(fā)展的一個(gè)令人不安的問題，它對機(jī)場用周圍的居民和其穩(wěn)定發(fā)展產(chǎn)生了很大的影響，阻礙了城市建設(shè)的正常進(jìn)程，造成了更為惡劣的社會(huì)以及環(huán)境方面的問題。飛機(jī)噪音是如今機(jī)場環(huán)境污染問題中比較嚴(yán)重的問題之一，到目前為止這個(gè)問題還沒有得到解決。噪聲的重要來源是飛機(jī)進(jìn)入機(jī)場和離開機(jī)場的過程中造成的，所以處理機(jī)場噪聲污染問題的關(guān)鍵是對飛機(jī)噪聲影響范圍以及強(qiáng)度進(jìn)行科學(xué)評估，做到對飛行程序的優(yōu)化，起到降低噪音的效果[1]。國際上對機(jī)場噪聲的產(chǎn)生和處理進(jìn)行了大量研究，但對航跡噪聲評估方面的研究相對來說比較少。為降低航空器造成的噪聲影響，許多機(jī)場開展了一些重要的減少機(jī)場噪聲的飛行程序，機(jī)場噪聲的緩解取決于飛行程序的科學(xué)合理評估。

2 航跡特征

根據(jù)在復(fù)雜自適應(yīng)的理論中的積木思想，我們從飛行操縱特性出發(fā)，提出了基本的飛行模型的理念。這種模型的核心思想是通過將飛機(jī)的飛行軌跡的高度以及飛行速度進(jìn)行剖面分解為基本模型。為了便于對飛行程序產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行預(yù)測，基于該思想改進(jìn)了飛行航跡的特征，并且將軌道的特征劃分為垂直輪廓的特征和軌道分割的特征。起飛時(shí)的飛機(jī)噪音遠(yuǎn)大于著陸過程。接下來，將描述離開機(jī)場的飛機(jī)的飛行航跡的路徑特征。

（1）垂直剖面特征

垂直剖面部分包括起飛爬升部分，等表速爬升部分，光潔速度前的加速部分，光潔速度后的等表速爬升部分，水平飛行巡航部分等。飛機(jī)起飛加速過程一般是加速到VR（130節(jié)左右），抬前輪，離地達(dá)35ft，增速至V2+20節(jié)（1節(jié)=1.852km/h）（如圖1），起落架完全收上后等表速爬升，增速至光潔速度，然后繼續(xù)等表速爬升。

（2）航跡分段特征

因?yàn)榍€的軌跡經(jīng)常出現(xiàn)在地面軌跡上，因此軌跡的計(jì)算導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)段的噪聲計(jì)算中的誤差。將整個(gè)軌道劃分為一系列的小圓弧，標(biāo)題的描述可以有效地減少誤差。圖2是對應(yīng)于地面軌跡和飛行剖面的分割圖[2]。

根據(jù)式（1）對航跡分段中的子段數(shù)量進(jìn)行確定。

nsub=int1+（Δξ-2Δξtrans）/30（1）

根據(jù)公式（2）對每個(gè)子航段中的航向的度數(shù)進(jìn)行確定，其中Δξsub≤30°。

Δξsub=（Δξ-2·Δξtrans）/nsub（2）

3 飛機(jī)噪音評價(jià)

自從飛機(jī)成為交通運(yùn)輸工具之后，已經(jīng)為人們的出行生活帶來了重大變化，但也造成了很惡劣的環(huán)境污染問題，如噪音和廢氣。對機(jī)場飛機(jī)噪聲進(jìn)行科學(xué)合理的評估，評估噪聲的強(qiáng)度和影響范圍，對飛行的程序進(jìn)行優(yōu)化，是一個(gè)人們密切關(guān)注的嚴(yán)峻問題。

（1）噪聲危害

飛機(jī)的噪音比其他噪音更有害，因?yàn)轱w機(jī)的噪音在短期內(nèi)持續(xù)發(fā)生，并且具有高音量和廣泛的影響。近來的多種研究表明，飛機(jī)噪音會(huì)影響人們的心理健康、房價(jià)以及建筑的結(jié)構(gòu)等。

飛機(jī)噪聲的危害[3]：

①飛機(jī)噪音可引起各種疾病，影響人們的睡眠，危及人的聽力，并可能影響小兒的認(rèn)知和發(fā)育。

②航空器噪聲影響機(jī)場周邊房價(jià)，受噪聲影響大的房子的價(jià)格低于房地產(chǎn)市場的正常價(jià)格，而受到噪聲的影響比較小的房子價(jià)格會(huì)上漲。

③飛機(jī)噪音導(dǎo)致周圍動(dòng)物恐慌，更嚴(yán)重的會(huì)對動(dòng)物的血液的組成成分產(chǎn)生影響。

④飛機(jī)產(chǎn)生的噪音會(huì)造成房屋的搖動(dòng)，對房屋的結(jié)構(gòu)造成破壞，有強(qiáng)烈音爆時(shí)會(huì)造成對房屋玻璃的破壞。

（2）飛機(jī)噪聲評價(jià)指標(biāo)

如今，各國的噪聲評價(jià)指標(biāo)不同，整體上可以分成單一事件以及累積事件等兩類噪音評價(jià)指標(biāo)。單一事件指的是一架飛機(jī)一次飛行，累計(jì)事件需要考慮到飛機(jī)噪聲產(chǎn)生的數(shù)量和不同時(shí)期的影響。根據(jù)計(jì)算方法的區(qū)別，國際民用航空組織（ICAO）國家的評估指標(biāo)也不同。例如，英國使用噪聲指數(shù)（NNI），德國使用煩惱指數(shù)（Q），中國使用國際民航組織推薦的加權(quán)等效感知噪聲水平（LWECPN）噪聲評估指數(shù)。

4 飛行程序噪聲評估

飛行程序的噪聲評估方法的流程圖使用國際公認(rèn)的NPD噪聲計(jì)算方法，例如對飛行計(jì)劃噪聲評估指數(shù)進(jìn)行確定，獲取飛機(jī)的飛行路徑數(shù)據(jù)，基于軌道分割模型的軌道分割。使用噪聲和MATLAB程序得出飛行程序噪聲等值線圖。

（1）飛行程序噪聲評估指標(biāo)

飛行程序的噪聲評估指標(biāo)是衡量飛行程序噪聲的指標(biāo)。文獻(xiàn)比較了各種噪聲評估，并得出結(jié)論：單個(gè)的噪聲事件會(huì)干擾到人們正在進(jìn)行的社交活動(dòng)，并且可以最好地反映飛行計(jì)劃噪聲的特征。

（2）航跡數(shù)據(jù)獲取

航跡數(shù)據(jù)通常存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫里，MATLAB用于通過ODBC使用MATLAB和SQL Server 2005的混合編程方法連接到SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫，并將航跡數(shù)據(jù)保存為矩陣作為下一個(gè)分割處理的原始矩陣。

（3）航跡分段實(shí)施

按照軌道分段模型，通過判斷航向和目標(biāo)航向的變化來確定所獲得的飛行程序軌跡數(shù)據(jù)矩陣，根據(jù)臨界值30s劃分轉(zhuǎn)彎區(qū)域，最后生成為公式，顯示了分割狀態(tài)矩陣和分割控制矩陣。由于飛機(jī)噪聲的影響主要發(fā)生在3000m或更低的高度，為了能夠?qū)⒂?jì)算效率進(jìn)行提高，從全分段狀態(tài)的矩陣以及分段控制的矩陣，提取分段數(shù)據(jù)的前10個(gè)段來對飛機(jī)噪聲的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算[5]。

（4）NPD噪聲計(jì)算

噪聲-功率-距離（NPD）特性曲線作為典型的一種計(jì)算噪聲曲線，在文獻(xiàn)中深入研究如何計(jì)算NPD噪聲，該方法是全面的，闡述了NPD對噪聲計(jì)算的流程。獲取軌跡分割矩陣后，按照不同的模型讀取ANP2.0數(shù)據(jù)庫的噪聲數(shù)據(jù)，采用NPD噪聲計(jì)算方法，通過MATLAB計(jì)算飛行程序噪聲評估值。

5 實(shí)例分析

從民用機(jī)場的標(biāo)準(zhǔn)飛行程序用作驗(yàn)證的例子。選擇波音737-300型號，基于狀態(tài)信息計(jì)算飛行路徑，并且選擇圖3所示的B737離場程序的分段輪廓。

圖3顯示了當(dāng)波音737-300飛離機(jī)場時(shí)飛機(jī)的相對飛行高度，速度和相應(yīng)的推力變化，以上信息能夠指示標(biāo)準(zhǔn)儀器的離開程序的分段。按照圖4的航跡分段的情況，通過MATLAB 2010編程飛行路徑，選擇SEL用作噪聲評估指標(biāo)，并且如下讀取ANP 2.0數(shù)據(jù)庫的噪聲值矩陣。

通過等式計(jì)算飛行路徑的傾斜距離，通過插值法對噪聲值矩陣進(jìn)行處理，計(jì)算并校正對應(yīng)于陰影區(qū)域的噪聲值。使用meshgrid（）函數(shù)對噪聲值進(jìn)行柵格化，并生成噪聲的等值線矩陣。最后，使用contourf（）函數(shù)繪制噪聲等值線圖[6]。

舉例分析，圖4為雙流機(jī)場傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)儀表離場程序，02L跑道起飛對成都雙流宗申塞納維小區(qū)和西三環(huán)鷺島國際社區(qū)噪音影響很大，因?yàn)檫@兩個(gè)小區(qū)正好在飛機(jī)離地不久的一邊下，因?yàn)轱w機(jī)高度低，所以噪音很大，很多居民投訴過噪音過大，影響正常生活。可以對離場程序利用航跡分段的方法對噪聲進(jìn)行評估，評估出噪聲最小的程序，建議管制部門盡量使用噪音較小的程序或?qū)﹄x場程序進(jìn)行優(yōu)化，減少對居民生活的噪音污染。

6 結(jié)束語

機(jī)場周圍的噪音影響居民的生活，主要來自于航空器離場航線初段和進(jìn)場航線末段產(chǎn)生的噪音，因?yàn)轱w機(jī)高度低噪音大。飛行程序的噪聲評估可以作為對飛機(jī)噪聲進(jìn)行有效控制的關(guān)鍵手段。通過結(jié)合商用飛機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)以及性能模型，基于航跡分割模型的飛行程序噪聲評估方法可以有效且準(zhǔn)確地繪制進(jìn)入和退出飛行程序的航空器的飛行路徑的噪聲等值線圖，該程序具有關(guān)于飛行程序降噪工程的應(yīng)用的特定參考的重要性，通過對進(jìn)離場程序利用航跡分段的方法對噪聲進(jìn)行評估，對于優(yōu)化飛機(jī)進(jìn)離場航線，減少航線對城市的噪音污染有重要意義。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2018-11-17

作者簡介：楊 洋（1987-），男，助理工程師，本科，主要從事飛行程序設(shè)計(jì)工作。