趙傳東　李金燕　沈響

摘 要：文章通過(guò)對(duì)民用飛機(jī)在進(jìn)近階段的噪聲級(jí)進(jìn)行預(yù)測(cè)，為民用飛機(jī)進(jìn)近階段的噪聲級(jí)的適航合格審定提供技術(shù)支持。使用控制變量法，導(dǎo)出飛機(jī)進(jìn)近噪聲水平的算法，同時(shí)利用現(xiàn)有機(jī)型的公開數(shù)據(jù)，對(duì)此算法進(jìn)行驗(yàn)證，得到其有效性。基于Microsoft Visual Studio 2010平臺(tái)開發(fā)了一種算法程序來(lái)檢測(cè)民用飛機(jī)的進(jìn)近噪聲水平，并將系統(tǒng)的檢測(cè)結(jié)果與ESEA官網(wǎng)查詢的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，用以驗(yàn)證算法程序的有效性。結(jié)合新機(jī)型的參數(shù)數(shù)據(jù)，輸入系統(tǒng)并得到其進(jìn)近噪聲級(jí)，將此數(shù)據(jù)與當(dāng)前國(guó)際民航組織要求的最嚴(yán)格的進(jìn)近噪聲級(jí)相比較，判斷新機(jī)型的噪聲級(jí)是否滿足適航要求，旨在降低民用飛機(jī)噪聲合格審定成本，給飛機(jī)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供參考。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)噪聲適航審定；控制物理變量；飛機(jī)進(jìn)近噪聲級(jí)預(yù)測(cè)

中圖分類號(hào)：TB535 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）35-0120-03

Abstract： By predicting the noise level of civil aircraft in the approach phase， this paper provides technical support for the airworthiness certification of the noise level in the approach stage of civil aircraft. The control variable method is used to deduce the algorithm of aircraft approach noise level. At the same time， the validity of the algorithm is verified using the public data of existing aircraft types. Based on Microsoft Visual Studio 2010 platform， an algorithm program is developed to detect the approach noise level of civil aircraft， and the detection results are compared with the data queried by ESEA website to verify the effectiveness of the algorithm program. Based on the parameter data of the new aircraft type， the approach noise level is inputted into the system and compared with the most stringent approach noise level required by the current ICAO to determine whether the noise level of the new aircraft type meets the airworthiness requirements. The purpose of this paper is to reduce the cost of noise qualification for civil aircraft and to provide reference for the design and improvement of aircraft.

Keywords： aircraft noise airworthiness certification； control physical variables； aircraft approach noise level prediction

引言

二十一世紀(jì)以來(lái)，噪聲污染對(duì)人類社會(huì)的影響越來(lái)越顯著，已然與水污染和空氣污染并稱為三大環(huán)境污染，已經(jīng)給人們的日常生活和工作帶來(lái)麻煩和困擾。減少噪聲污染帶來(lái)的危害迫在眉睫，各個(gè)國(guó)家都在為社區(qū)的安寧做出各種努力。機(jī)場(chǎng)附近的噪聲污染特別嚴(yán)重，給機(jī)場(chǎng)周圍人民的生活和工作帶來(lái)了麻煩，甚至引發(fā)了群眾跟機(jī)場(chǎng)不可調(diào)和的矛盾，給機(jī)場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)和發(fā)展帶了負(fù)面作用。為了限制飛機(jī)噪聲對(duì)人們生活的影響，國(guó)際民航組織制定了嚴(yán)格的噪聲合格標(biāo)準(zhǔn)，用以降低飛機(jī)的噪聲。本文之目的就是開發(fā)出噪聲的預(yù)測(cè)算法和程序，在飛機(jī)進(jìn)行噪聲合格審定之前提供一定的參考，從而降低其成本。

1 飛機(jī)進(jìn)近噪聲級(jí)預(yù)測(cè)算法

1.1 基準(zhǔn)飛機(jī)噪聲測(cè)量點(diǎn)

根據(jù)國(guó)際民航組織附件16規(guī)定，對(duì)各種類型的飛機(jī)進(jìn)行噪聲合格審定時(shí)，首先要確定飛機(jī)的類型，例如渦扇發(fā)動(dòng)飛機(jī)和渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)在測(cè)量進(jìn)近噪聲級(jí)時(shí)要采用不同的噪聲測(cè)量方法。同時(shí)，要查詢得到飛機(jī)的最大起飛重量（MTOW）、最大著陸重量（MLW）和發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)等信息，以確定其噪聲測(cè)量位置和測(cè)量方法。

本文主要介紹的是大型民用客機(jī)的噪聲級(jí)測(cè)量，確定噪聲測(cè)量方案后，選取三個(gè)位置，并安裝噪聲測(cè)量裝置。三個(gè)位置分別為飛越、邊線和進(jìn)場(chǎng)，分別采集和計(jì)算噪聲級(jí)后，得出其噪聲級(jí)數(shù)值，從而可判斷其噪聲級(jí)是否滿足限制的要求。

如圖1所示，指示了飛機(jī)噪聲測(cè)量點(diǎn)的位置。當(dāng)飛機(jī)進(jìn)行飛越噪聲測(cè)量時(shí)，噪聲的測(cè)量點(diǎn)位于飛機(jī)跑道中心線沿飛行方向的延長(zhǎng)線的地面上，且與飛機(jī)的滑跑點(diǎn)相距6500米。當(dāng)飛機(jī)進(jìn)行進(jìn)場(chǎng)噪聲測(cè)量時(shí)，噪聲測(cè)量點(diǎn)位于跑道中心線與飛機(jī)飛行方向相反的延長(zhǎng)線的地面上，且距離跑道入口點(diǎn)2000米。當(dāng)飛機(jī)在飛過(guò)進(jìn)場(chǎng)噪聲測(cè)量點(diǎn)正上方時(shí)，其姿態(tài)必須以3度的坡度下滑，相對(duì)應(yīng)的飛行高度為120米。當(dāng)飛機(jī)進(jìn)行邊線噪聲測(cè)量時(shí)，噪聲的測(cè)量點(diǎn)位于跑道兩側(cè)的邊線的地面上，這兩條邊線與跑道相平行且與之相距450米。為了快速爬升至巡航高度，飛機(jī)以全推力起飛并爬升，因此此處的噪聲級(jí)數(shù)值是三個(gè)位置中最大的。

1.2 民用飛機(jī)進(jìn)場(chǎng)噪聲級(jí)算法

民用飛機(jī)進(jìn)近適航噪聲級(jí)數(shù)據(jù)為公開數(shù)據(jù)，可以在噪聲型號(hào)認(rèn)定書中查詢得到。以空中客車A330客機(jī)為例，其適航噪聲級(jí)數(shù)據(jù)均在歐洲航空安全局（EASA）官網(wǎng)查詢得到。同時(shí)飛機(jī)的最大起飛重量（MTOM）和最大著陸重量（MLM）等數(shù)據(jù)也是公開的，可以在EASA官網(wǎng)查詢得到。

根據(jù)飛機(jī)的飛行試驗(yàn)方法進(jìn)行飛行試驗(yàn)，分別得到飛機(jī)進(jìn)近噪聲級(jí)與翼展、翼面載荷以及有效噴氣速度之間的關(guān)系分別如圖2、圖3和圖4所示。

1.3 飛機(jī)進(jìn)近噪聲級(jí)預(yù)測(cè)算法有效性的驗(yàn)證

在空客官網(wǎng)容易查得A320-215（CFM56-5B5/P）的數(shù)據(jù)，翼展b=35.8m，機(jī)翼面積A？棕=122.4m2，最大著陸重量MLM=66，000kg，由公式（1.2）可知，進(jìn)近點(diǎn)機(jī)體噪聲級(jí)為93.0EPNDB。對(duì)于A320-215（CFM56-5B5/P）飛機(jī)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)推力的限制，進(jìn)近升阻比可估算為C1/Cd=18.3，升力系數(shù)估算為C1，ref=0.33。

根據(jù)公式（1.3）得到進(jìn)近點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲級(jí)為90.0EPNDB

從EASA空客飛機(jī)噪聲審定數(shù)據(jù)庫(kù)中查到裝配CFM56-5B5/P發(fā)動(dòng)機(jī)的A320-215飛機(jī)進(jìn)近點(diǎn)實(shí)測(cè)噪聲級(jí)為EPNL=95.5EPNdB。通過(guò)進(jìn)近噪聲級(jí)算法預(yù)測(cè)的進(jìn)近點(diǎn)噪聲級(jí)與實(shí)際測(cè)量的絕對(duì)誤差較小，表明計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度較高，符合飛機(jī)進(jìn)近噪聲級(jí)預(yù)測(cè)的要求。

2 系統(tǒng)平臺(tái)的開發(fā)

本文選擇了Microsoft Visual Studio 2010平臺(tái)，設(shè)計(jì)了民用飛機(jī)進(jìn)近噪聲級(jí)預(yù)測(cè)系統(tǒng)，基于之前得到的民用飛機(jī)進(jìn)近噪聲級(jí)理論算法，通過(guò)查詢飛機(jī)的最大起飛重量、最大著陸重量、翼展和翼面面積等數(shù)據(jù)計(jì)算飛機(jī)的進(jìn)近噪聲級(jí)，從而快速而準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)民用飛機(jī)進(jìn)近噪聲級(jí)。Microsoft Visual Studio 2010軟件功能強(qiáng)大，在數(shù)值計(jì)算方面可操作性很強(qiáng)，計(jì)算速度塊，同時(shí)，Microsoft Visual Studio 2010在界面繪圖功能方面的功能強(qiáng)大，在用戶使用時(shí)，可以在界面的工具箱內(nèi)調(diào)用工具，組合生成用戶期望的界面和功能，使用者易于上手，熟練操作；在算法編輯方面，Microsoft Visual Studio 2010應(yīng)用C#語(yǔ)言，容易編寫計(jì)算程序，對(duì)輸入的數(shù)據(jù)處理得到飛機(jī)噪聲級(jí)，符合民航飛機(jī)進(jìn)近噪聲級(jí)計(jì)算的要求。

2.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

本文開發(fā)的系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能：對(duì)現(xiàn)有機(jī)型的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集并計(jì)算其進(jìn)近噪聲級(jí)，與EASA的噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，從而對(duì)民用飛機(jī)進(jìn)近噪聲級(jí)算法的有效性進(jìn)行驗(yàn)證；同時(shí)，可以收集新機(jī)型的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)此系統(tǒng)的計(jì)算對(duì)新機(jī)型的民用飛機(jī)進(jìn)行進(jìn)近噪聲級(jí)的預(yù)測(cè)。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖5所示：

用戶登錄后，選擇“已有機(jī)型進(jìn)近噪聲級(jí)算法有效性分析”后進(jìn)入數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)面板，將此機(jī)型的所需參數(shù)輸入到系統(tǒng)點(diǎn)擊計(jì)算，方可得出飛機(jī)進(jìn)近噪聲級(jí)。將此噪聲級(jí)與此機(jī)型公開的噪聲級(jí)實(shí)測(cè)值相比較得到絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差并記錄，輸入多組機(jī)型參數(shù)并統(tǒng)計(jì)得到的誤差值繪制成柱狀圖展示，驗(yàn)證此算法的有效性。

當(dāng)用戶選擇“新機(jī)型進(jìn)近噪聲預(yù)測(cè)”功能后進(jìn)入數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)面板，將查詢到的新機(jī)型的所需參數(shù)輸入到系統(tǒng)點(diǎn)擊計(jì)算，得到新機(jī)型的進(jìn)近噪聲級(jí)數(shù)據(jù)。然而，對(duì)于新機(jī)型的飛機(jī)還沒(méi)有公開的噪聲數(shù)據(jù)，只能跟此機(jī)型的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)型的噪聲數(shù)據(jù)相比較，抑或按照最為嚴(yán)格的第四階段噪聲限制值比較，得出此機(jī)型的進(jìn)近噪聲級(jí)是否滿足適航的要求。

只要飛機(jī)噪聲數(shù)據(jù)足夠多，就可以充分驗(yàn)證算法的有效性。圖6、圖7是利用本文的算法得出的飛機(jī)進(jìn)近噪聲級(jí)與實(shí)測(cè)值的比較柱狀圖，可以直觀地看到絕大多數(shù)飛機(jī)的進(jìn)近噪聲級(jí)的預(yù)測(cè)值相對(duì)誤差在±2EPN dB以內(nèi)，符合進(jìn)近噪聲級(jí)預(yù)測(cè)的精準(zhǔn)度要求。

從圖6和圖7可以看到，除了A340-600（Trent 500）以外，用本文的進(jìn)近噪聲級(jí)預(yù)測(cè)算法得到的噪聲級(jí)與實(shí)際測(cè)量值的進(jìn)近噪聲級(jí)的絕對(duì)誤差絕大部分在±2EPN dB內(nèi)，相對(duì)誤差很小，表明此算法對(duì)現(xiàn)飛機(jī)進(jìn)近噪聲級(jí)的預(yù)測(cè)具有很高的可信度。

3 結(jié)束語(yǔ)

研究與進(jìn)近噪聲級(jí)相關(guān)的物理參數(shù)（包括公開參數(shù)和估算參數(shù)的準(zhǔn)備），通過(guò)理論推導(dǎo)，得出進(jìn)近噪聲級(jí)預(yù)測(cè)算法的理論公式，并對(duì)現(xiàn)有機(jī)型的進(jìn)近噪聲級(jí)進(jìn)行計(jì)算，與實(shí)際測(cè)量進(jìn)近噪聲級(jí)相比較驗(yàn)證了該算法的有效性，對(duì)于新機(jī)型噪聲適航審定提供技術(shù)上的支持，旨在降低噪聲合格審定的成本。

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