減推力飛越噪聲合格審定優(yōu)化方法

張 彤 屈展文 / Zhang Tong Qu Zhanwen

(民航上海航空器適航審定中心,上海200335)

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減推力飛越噪聲合格審定優(yōu)化方法

張 彤 屈展文 / Zhang Tong Qu Zhanwen

(民航上海航空器適航審定中心,上海200335)

飛越噪聲合格審定可以采用發(fā)動(dòng)機(jī)減推力方式進(jìn)行，不同減推力航跡對(duì)應(yīng)的噪聲級(jí)不同，存在最優(yōu)減推力飛越噪聲級(jí)；利用噪聲功率距離(NPD)數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算不同減推力飛越噪聲航跡上特征點(diǎn)噪聲級(jí)，根據(jù)最優(yōu)減推力實(shí)施點(diǎn)的判定原則，可以確定最優(yōu)航跡及其合格審定噪聲級(jí)；減推力飛越噪聲優(yōu)化方法可以替代飛行試驗(yàn),節(jié)約噪聲合格審定的時(shí)間和成本。

噪聲級(jí)；合格審定；減推力；噪聲功率距離；飛行航跡

0 引言

民用航空器必須取得型號(hào)合格證才能運(yùn)行，滿足中國(guó)民用航空局《航空器型號(hào)和適航合格審定噪聲規(guī)定》(CCAR-36)是取得型號(hào)合格證的前提條件之一[1]。運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)的噪聲合格審定包括飛越、橫側(cè)和進(jìn)場(chǎng)噪聲級(jí)，飛越噪聲級(jí)是指飛機(jī)以規(guī)定的起飛推力(功率)、形態(tài)、速度，在起飛航跡正下方的地面基準(zhǔn)噪聲測(cè)量點(diǎn)對(duì)噪聲進(jìn)行測(cè)量，并將結(jié)果修正到基準(zhǔn)環(huán)境條件下最大純音修正感覺(jué)噪聲級(jí)(PNLTM)10 dB降區(qū)間的有效感覺(jué)噪聲級(jí)(EPNL)。CCAR-36部規(guī)定，飛越噪聲可以采用最大起飛推力(功率)或減推力(功率)兩種方式進(jìn)行，飛越噪聲主要來(lái)源于飛機(jī)機(jī)體和發(fā)動(dòng)機(jī)，其中發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲占主導(dǎo)地位，現(xiàn)代運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲主要由風(fēng)扇、壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪和排氣產(chǎn)生[2]，降低發(fā)動(dòng)機(jī)推力可以顯著降低這些噪聲源的噪聲水平、獲得更大的噪聲裕度，因此噪聲合格審定時(shí)減推力通常是優(yōu)先考慮的方法。減推力飛越噪聲級(jí)可以直接通過(guò)飛行試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)量確定，但飛行試驗(yàn)無(wú)疑會(huì)增加研制成本和影響取證進(jìn)度。

不同減推力航跡對(duì)應(yīng)的噪聲級(jí)不同，存在最優(yōu)減推力飛越噪聲級(jí)，目前國(guó)內(nèi)減推力飛越噪聲優(yōu)化方法正處于應(yīng)用探索階段，本文提出一種利用已獲得噪聲功率距離(NPD)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行減推力飛越噪聲級(jí)確定的優(yōu)化方法，此方法無(wú)需再進(jìn)行飛行試驗(yàn)，可以顯著節(jié)省取證成本和縮短審定周期。

1 減推力飛越噪聲優(yōu)化方法概述

由于受試驗(yàn)場(chǎng)地的限制和為了滿足后續(xù)衍生機(jī)型噪聲審定需要，目前運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)噪聲合格審定大多采用飛行航跡切入法進(jìn)行噪聲測(cè)試，建立噪聲功率距離(NPD)數(shù)據(jù)庫(kù)[3]。起飛飛越噪聲的NPD通過(guò)在噪聲測(cè)量點(diǎn)上方采用固定飛行高度、不同發(fā)動(dòng)機(jī)推力(功率)的飛行試驗(yàn)獲得，并將結(jié)果修正和擴(kuò)展到基準(zhǔn)環(huán)境條件下的不同高度[4]。

NPD數(shù)據(jù)庫(kù)可以用來(lái)計(jì)算不同推力(功率)、不同距離、相同噪聲角(航跡與傳聲路徑之間的夾角)的純音修正感覺(jué)噪聲級(jí)(PNLT)，對(duì)于目標(biāo)飛行航跡這些參數(shù)已確定，利用NPD可以計(jì)算航跡上每一點(diǎn)的PNLT，進(jìn)而確定10 dB降區(qū)間，再經(jīng)持續(xù)時(shí)間、速度等修正便可確定合格審定有效感覺(jué)噪聲級(jí)(EPNL)。

起飛飛越噪聲的NPD數(shù)據(jù)庫(kù)是進(jìn)行減推力飛越噪聲優(yōu)化、獲得減推力飛越噪聲級(jí)的基礎(chǔ)。進(jìn)行減推力飛越噪聲優(yōu)化，首先要分析減推力對(duì)噪聲的影響，確定最優(yōu)減推力實(shí)施點(diǎn)的判定原則；根據(jù)適航當(dāng)局批準(zhǔn)的飛機(jī)性能數(shù)據(jù)和減推力數(shù)據(jù)，計(jì)算基準(zhǔn)飛行航跡，給出不同航跡減推力開(kāi)始點(diǎn)、結(jié)束點(diǎn)等特征點(diǎn)的坐標(biāo)和噪聲角；利用NPD數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算特征點(diǎn)的PNLT；遵循最優(yōu)減推力實(shí)施點(diǎn)判定原則，確定最優(yōu)減推力實(shí)施點(diǎn)；最后，根據(jù)最優(yōu)減推力實(shí)施點(diǎn)確定減推力航跡，利用NPD數(shù)據(jù)庫(kù)獲得減推力飛越噪聲級(jí)。為了表述簡(jiǎn)潔，本文中有關(guān)噪聲單位均使用dB，代表與其相應(yīng)的噪聲評(píng)定級(jí)單位。

2 最優(yōu)減推力實(shí)施點(diǎn)判定原則

CCAR-36部規(guī)定，對(duì)于不同階段噪聲審定和不同類(lèi)型發(fā)動(dòng)機(jī)，減推力實(shí)施點(diǎn)不得低于距跑道某一特定高度值，即規(guī)定了減推力的最早實(shí)施點(diǎn)。減推力最晚實(shí)施點(diǎn)應(yīng)在最大起飛推力PLNTM 10dB降區(qū)間結(jié)束點(diǎn)之前，否則減推力不會(huì)帶來(lái)噪聲級(jí)降低的好處。在最早和最晚實(shí)施點(diǎn)之間，減推力實(shí)施越早，飛機(jī)起飛航跡就越低，飛機(jī)的噪聲級(jí)會(huì)相應(yīng)增加；減推力越晚，最大起飛推力或減推力過(guò)渡過(guò)程(減推力開(kāi)始到減推力達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài))產(chǎn)生的噪聲會(huì)進(jìn)入PLNTM 10dB降區(qū)間，飛機(jī)的噪聲級(jí)也會(huì)相應(yīng)增加。因此為了獲取最小減推力噪聲級(jí)，減推力實(shí)施點(diǎn)應(yīng)為最大起飛推力或減推力過(guò)渡過(guò)程不進(jìn)入航跡PLNTM 10dB降區(qū)間的最晚點(diǎn)。

減推力過(guò)渡過(guò)程的噪聲時(shí)間歷程存在兩種情況：第一種情況(實(shí)線)，從減推力開(kāi)始到減推力結(jié)束噪聲單調(diào)增加，此種情況只要保證結(jié)束點(diǎn)的PLNT小于PNLTM-10dB，最大起飛推力或減推力過(guò)渡過(guò)程就不會(huì)影響減推力穩(wěn)態(tài)噪聲；第二種情況(虛線)，減推力結(jié)束點(diǎn)噪聲小于減推力開(kāi)始時(shí)的噪聲，即使結(jié)束點(diǎn)噪聲小于PNLTM-10dB，減推力開(kāi)始點(diǎn)噪聲也可能大于PNLTM-10dB，從而對(duì)減推力穩(wěn)態(tài)噪聲產(chǎn)生干擾。因此，獲得最小減推力噪聲級(jí)實(shí)施點(diǎn)的條件是：減推力開(kāi)始點(diǎn)或減推力結(jié)束點(diǎn)的PLNT恰好小于PNLTM-10dB點(diǎn)，兩者取大者。如圖1所示。

圖1 減推力PNLT時(shí)間歷程

3 減推力飛越噪聲級(jí)確定

3.1 減推力基準(zhǔn)航跡

減推力基準(zhǔn)航跡包括最大起飛推力段、減推力過(guò)渡段、減推力段三個(gè)階段，如圖2所示。為了保證減推力后飛機(jī)最低安全性能，CCAR-36部允許發(fā)動(dòng)機(jī)從最大起飛推力(功率)減小到最小推力(功率)為：能維持4%爬升梯度或一發(fā)不工作時(shí)的水平飛行，兩者中取大者[5]。最小減推力值由性能計(jì)算給出，但要通過(guò)飛行試驗(yàn)確定減推力的過(guò)渡時(shí)間和推力衰減特性，并用于計(jì)算減推力過(guò)渡段航跡。計(jì)算減推力基準(zhǔn)航跡必須基于適航當(dāng)局批準(zhǔn)的該型號(hào)性能數(shù)據(jù)，如果實(shí)施噪聲NPD測(cè)試時(shí)，性能數(shù)據(jù)還未獲局方批準(zhǔn)，必須考慮發(fā)動(dòng)機(jī)功率、飛行特征速度、測(cè)試高度范圍等能夠覆蓋這些參數(shù)可能的設(shè)計(jì)調(diào)整。

為了確定最優(yōu)減推力點(diǎn)，需在允許減推力區(qū)間計(jì)算多條在不同高度點(diǎn)實(shí)施減推力的基準(zhǔn)飛行航跡，應(yīng)計(jì)算到最大起飛推力或減推力過(guò)渡段對(duì)10dB降區(qū)間有影響的那條飛行航跡。每條航跡給出減推力開(kāi)始點(diǎn)、結(jié)束點(diǎn)的坐標(biāo)(距起飛松剎車(chē)點(diǎn)距離和飛行高度)、其對(duì)應(yīng)的噪聲角以及測(cè)量點(diǎn)與航跡間的最小距離，這些參數(shù)對(duì)于每條航跡具有唯一性，也就是知道其中一個(gè)參數(shù)便可確定其余參數(shù)，如圖2所示。相同的噪聲角是進(jìn)行NPD數(shù)據(jù)計(jì)算的基礎(chǔ)，確定開(kāi)始點(diǎn)、結(jié)束點(diǎn)的坐標(biāo)和噪聲角是為了利用NPD數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算這些點(diǎn)的PNLT；為方便數(shù)據(jù)判斷和處理，最小距離通常作為不同航跡的參考基準(zhǔn)，用于區(qū)分不同減推力實(shí)施點(diǎn)對(duì)應(yīng)的飛行航跡。

圖2 減推力起飛航跡示意圖

以減推力結(jié)束點(diǎn)為例，將不同基準(zhǔn)航跡的結(jié)束點(diǎn)高度、結(jié)束點(diǎn)噪聲角、最小距離時(shí)高度與距松剎車(chē)點(diǎn)距離進(jìn)行曲線回歸，得到回歸函數(shù)表達(dá)式，這樣可以得到任意最小距離高度時(shí)減推力結(jié)束點(diǎn)的高度、噪聲角，如圖3所示。同樣的方法可以得到任意最小距離高度時(shí)減推力開(kāi)始點(diǎn)的高度、噪聲角。

圖3 最小距離高度、減推力結(jié)束點(diǎn)高度、噪聲角關(guān)系

3.2 減推力PNLTM和PNLT確定

利用基準(zhǔn)環(huán)境條件下的NPD數(shù)據(jù)可以給出不同最小距離時(shí)飛機(jī)不同推力(Fe/δ，其中Fe為發(fā)動(dòng)機(jī)推力，δ為大氣壓力比)時(shí)噪聲角與PNLT的關(guān)系。圖4中給出了某一最小距離(Dmin)、不同推力時(shí)噪聲角對(duì)應(yīng)PNLT的示例，可以確定此最小距離對(duì)應(yīng)的不同推力的PNLTM。利用圖2可以通過(guò)坐標(biāo)的幾何關(guān)系確定某一最小距離對(duì)應(yīng)的最小距離高度，利用圖3可以確定最小距離高度對(duì)應(yīng)的減推力結(jié)束點(diǎn)噪聲角，再利用圖4得到最小距離減推力結(jié)束點(diǎn)PNLT。

圖4 NPD數(shù)據(jù)庫(kù)給出的噪聲角與PNLT

依此方法，可以得到不同最小距離時(shí)不同推力的PNLTM和減推力結(jié)束點(diǎn)的PNLT。圖5給出不同最小距離時(shí)減推力PNLTM(虛線)和減推力結(jié)束點(diǎn)PNLT(實(shí)線)與推力的關(guān)系。利用同樣方法，也可以得到減推力開(kāi)始點(diǎn)PNLT。

圖5 PNLTM、減推力結(jié)束點(diǎn)PNLT與推力關(guān)系示意圖

3.3 最優(yōu)減推力航跡和噪聲級(jí)確定

如上文所述，不同最小距離的最小減推力結(jié)束點(diǎn)噪聲角已通過(guò)航跡計(jì)算獲得，最小減推力值依據(jù)規(guī)章要求已確定。利用圖5得到不同最小距離的最小減推力結(jié)束點(diǎn)的PNLT以及對(duì)應(yīng)PNLTM，可繪制PNLTM-PNLT(ΔdB)與減推力結(jié)束點(diǎn)噪聲角的關(guān)系圖；同樣可以繪制減推力開(kāi)始點(diǎn)的ΔdB，但此時(shí)需要將減推力開(kāi)始點(diǎn)的噪聲角轉(zhuǎn)換為減推力結(jié)束點(diǎn)噪聲角。然后確定開(kāi)始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)ΔdB等于10dB的噪聲角，如圖6所示。可能存在兩種情況：一是減推力開(kāi)始點(diǎn)ΔdB曲線(實(shí)線)位于減推力開(kāi)始點(diǎn)曲線下方，根據(jù)最優(yōu)減推力實(shí)施點(diǎn)判定原則，減推力開(kāi)始點(diǎn)為約束點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的結(jié)束點(diǎn)的噪聲角θ1為最優(yōu)減推力實(shí)施噪聲角；二是減推力開(kāi)始點(diǎn)ΔdB曲線(虛線)位于減推力開(kāi)始點(diǎn)曲線上方，根據(jù)最優(yōu)減推力實(shí)施點(diǎn)判定原則，減推力結(jié)束點(diǎn)為約束點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的噪聲角θ2為最優(yōu)減推力實(shí)施噪聲角。因噪聲角與減推力基準(zhǔn)航跡的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以計(jì)算航跡相關(guān)特征點(diǎn)坐標(biāo)，獲得最優(yōu)減推力基準(zhǔn)飛行航跡。根據(jù)最優(yōu)基準(zhǔn)航跡，利用NPD數(shù)據(jù)庫(kù)可以得到減推力飛越噪聲的EPNL，用以判斷是否滿足CCAR-36部規(guī)章要求。

圖6 最優(yōu)減推力約束點(diǎn)確定示意圖

4 結(jié)論

本文給出了運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)減推力飛越噪聲合格審定的一種優(yōu)化方法，利用起飛噪聲NPD數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)減推力基準(zhǔn)航跡特征點(diǎn)噪聲級(jí)進(jìn)行評(píng)估，確定最優(yōu)減推力航跡和噪聲級(jí)。此方法作為飛行試驗(yàn)替代方法，可以顯著節(jié)省研制成本和時(shí)間；同時(shí)優(yōu)化采用曲線回歸方法，具有參數(shù)的擴(kuò)展性，在NPD數(shù)據(jù)庫(kù)限定范圍內(nèi)可以用于后續(xù)衍生飛機(jī)型號(hào)減推力飛越噪聲級(jí)確定。

[1] 中國(guó)民航局.CCAR-21-R3民用航空產(chǎn)品和零部件合格審定規(guī)定[S].北京： 中國(guó)民航局，2007：5.

[2] 唐狄毅，等. 飛機(jī)噪聲基礎(chǔ)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社,1995： 64.

[3] 中國(guó)民航局.AC-36-AA-2008-04 航空器型號(hào)和適航合格審定噪聲規(guī)定咨詢通告[S].北京： 中國(guó)民航局，2008：176.

[4] ICAO Committee on Aviation Environmental Protection (CAEP). Environmental Technical Manual on the Use of Procedures in the Noise Certification of Aircraft [Z]. ICAO: 2000：7.

[5] 中國(guó)民航局.CCAR-36-R1航空器型號(hào)和適航合格審定噪聲規(guī)定[S].北京： 中國(guó)民航局，2007：43.

Optimization Method of Flyover Noise Certification with Thrust Cutback

(Shanghai Aircraft Airworthiness Certification Center of CAAC, Shanghai 200335, China)

Engine thrust cutback can be applied to flyover noise certification, sound level varies with different thrust cutback flight paths, and there exits the optimized noise level with thrust cutbacks. The noise level corresponding to typical points on each flight path with different thrust cutback point can be derived from noise-power-distance (NPD) database.According to the optimization thrust cutback conditions, the optimized flight path and its corresponding noise level can be determined. As an alternative method for flight test, the optimization method with thrust cutback can save the time and cost of noise certification.

noise level; certification;thrust cutback; noise-power-distance; flight path

V216．5+4

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