減推力飛越噪聲合格審定優化方法

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動機減推力方式進行，不同減推力航跡對應的噪聲級不同，存在最優減推力飛越噪聲級；利用噪聲功率距離(NPD)數據庫計算不同減推力飛越噪聲航跡上特征點噪聲級，根據最優減推力實施點的判定原則，可以確定最優航跡及其合格審定噪聲級；減推力飛越噪聲優化方法可以替代飛行試驗,節約噪聲合格審定的時間和成本。

噪聲級；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合格證才能運行，滿足中國民用航空局《航空器型號和適航合格審定噪聲規定》(CCAR-36)是取得型號合格證的前提條件之一[1]。運輸類飛機的噪聲合格審定包括飛越、橫側和進場噪聲級，飛越噪聲級是指飛機以規定的起飛推力(功率)、形態、速度，在起飛航跡正下方的地面基準噪聲測量點對噪聲進行測量，并將結果修正到基準環境條件下最大純音修正感覺噪聲級(PNLTM)10 dB降區間的有效感覺噪聲級(EPNL)。CCAR-36部規定，飛越噪聲可以采用最大起飛推力(功率)或減推力(功率)兩種方式進行，飛越噪聲主要來源于飛機機體和發動機，其中發動機噪聲占主導地位，現代運輸類飛機的發動機噪聲主要由風扇、壓氣機、燃燒室、渦輪和排氣產生[2]，降低發動機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減推力通常是優先考慮的方法。減推力飛越噪聲級可以直接通過飛行試驗進行測量確定，但飛行試驗無疑會增加研制成本和影響取證進度。

不同減推力航跡對應的噪聲級不同，存在最優減推力飛越噪聲級，目前國內減推力飛越噪聲優化方法正處于應用探索階段，本文提出一種利用已獲得噪聲功率距離(NPD)數據庫進行減推力飛越噪聲級確定的優化方法，此方法無需再進行飛行試驗，可以顯著節省取證成本和縮短審定周期。

1 減推力飛越噪聲優化方法概述

由于受試驗場地的限制和為了滿足后續衍生機型噪聲審定需要，目前運輸類飛機噪聲合格審定大多采用飛行航跡切入法進行噪聲測試，建立噪聲功率距離(NPD)數據庫[3]。起飛飛越噪聲的NPD通過在噪聲測量點上方采用固定飛行高度、不同發動機推力(功率)的飛行試驗獲得，并將結果修正和擴展到基準環境條件下的不同高度[4]。

NPD數據庫可以用來計算不同推力(功率)、不同距離、相同噪聲角(航跡與傳聲路徑之間的夾角)的純音修正感覺噪聲級(PNLT)，對于目標飛行航跡這些參數已確定，利用NPD可以計算航跡上每一點的PNLT，進而確定10 dB降區間，再經持續時間、速度等修正便可確定合格審定有效感覺噪聲級(EPNL)。

起飛飛越噪聲的NPD數據庫是進行減推力飛越噪聲優化、獲得減推力飛越噪聲級的基礎。進行減推力飛越噪聲優化，首先要分析減推力對噪聲的影響，確定最優減推力實施點的判定原則；根據適航當局批準的飛機性能數據和減推力數據，計算基準飛行航跡，給出不同航跡減推力開始點、結束點等特征點的坐標和噪聲角；利用NPD數據庫計算特征點的PNLT；遵循最優減推力實施點判定原則，確定最優減推力實施點；最后，根據最優減推力實施點確定減推力航跡，利用NPD數據庫獲得減推力飛越噪聲級。為了表述簡潔，本文中有關噪聲單位均使用dB，代表與其相應的噪聲評定級單位。

2 最優減推力實施點判定原則

CCAR-36部規定，對于不同階段噪聲審定和不同類型發動機，減推力實施點不得低于距跑道某一特定高度值，即規定了減推力的最早實施點。減推力最晚實施點應在最大起飛推力PLNTM 10dB降區間結束點之前，否則減推力不會帶來噪聲級降低的好處。在最早和最晚實施點之間，減推力實施越早，飛機起飛航跡就越低，飛機的噪聲級會相應增加；減推力越晚，最大起飛推力或減推力過渡過程(減推力開始到減推力達到穩定狀態)產生的噪聲會進入PLNTM 10dB降區間，飛機的噪聲級也會相應增加。因此為了獲取最小減推力噪聲級，減推力實施點應為最大起飛推力或減推力過渡過程不進入航跡PLNTM 10dB降區間的最晚點。

減推力過渡過程的噪聲時間歷程存在兩種情況：第一種情況(實線)，從減推力開始到減推力結束噪聲單調增加，此種情況只要保證結束點的PLNT小于PNLTM-10dB，最大起飛推力或減推力過渡過程就不會影響減推力穩態噪聲；第二種情況(虛線)，減推力結束點噪聲小于減推力開始時的噪聲，即使結束點噪聲小于PNLTM-10dB，減推力開始點噪聲也可能大于PNLTM-10dB，從而對減推力穩態噪聲產生干擾。因此，獲得最小減推力噪聲級實施點的條件是：減推力開始點或減推力結束點的PLNT恰好小于PNLTM-10dB點，兩者取大者。如圖1所示。

圖1 減推力PNLT時間歷程

3 減推力飛越噪聲級確定

3.1 減推力基準航跡

減推力基準航跡包括最大起飛推力段、減推力過渡段、減推力段三個階段，如圖2所示。為了保證減推力后飛機最低安全性能，CCAR-36部允許發動機從最大起飛推力(功率)減小到最小推力(功率)為：能維持4%爬升梯度或一發不工作時的水平飛行，兩者中取大者[5]。最小減推力值由性能計算給出，但要通過飛行試驗確定減推力的過渡時間和推力衰減特性，并用于計算減推力過渡段航跡。計算減推力基準航跡必須基于適航當局批準的該型號性能數據，如果實施噪聲NPD測試時，性能數據還未獲局方批準，必須考慮發動機功率、飛行特征速度、測試高度范圍等能夠覆蓋這些參數可能的設計調整。

為了確定最優減推力點，需在允許減推力區間計算多條在不同高度點實施減推力的基準飛行航跡，應計算到最大起飛推力或減推力過渡段對10dB降區間有影響的那條飛行航跡。每條航跡給出減推力開始點、結束點的坐標(距起飛松剎車點距離和飛行高度)、其對應的噪聲角以及測量點與航跡間的最小距離，這些參數對于每條航跡具有唯一性，也就是知道其中一個參數便可確定其余參數，如圖2所示。相同的噪聲角是進行NPD數據計算的基礎，確定開始點、結束點的坐標和噪聲角是為了利用NPD數據庫計算這些點的PNLT；為方便數據判斷和處理，最小距離通常作為不同航跡的參考基準，用于區分不同減推力實施點對應的飛行航跡。

圖2 減推力起飛航跡示意圖

以減推力結束點為例，將不同基準航跡的結束點高度、結束點噪聲角、最小距離時高度與距松剎車點距離進行曲線回歸，得到回歸函數表達式，這樣可以得到任意最小距離高度時減推力結束點的高度、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減推力開始點的高度、噪聲角。

圖3 最小距離高度、減推力結束點高度、噪聲角關系

3.2 減推力PNLTM和PNLT確定

利用基準環境條件下的NPD數據可以給出不同最小距離時飛機不同推力(Fe/δ，其中Fe為發動機推力，δ為大氣壓力比)時噪聲角與PNLT的關系。圖4中給出了某一最小距離(Dmin)、不同推力時噪聲角對應PNLT的示例，可以確定此最小距離對應的不同推力的PNLTM。利用圖2可以通過坐標的幾何關系確定某一最小距離對應的最小距離高度，利用圖3可以確定最小距離高度對應的減推力結束點噪聲角，再利用圖4得到最小距離減推力結束點PNLT。

圖4 NPD數據庫給出的噪聲角與PNLT

依此方法，可以得到不同最小距離時不同推力的PNLTM和減推力結束點的PNLT。圖5給出不同最小距離時減推力PNLTM(虛線)和減推力結束點PNLT(實線)與推力的關系。利用同樣方法，也可以得到減推力開始點PNLT。

圖5 PNLTM、減推力結束點PNLT與推力關系示意圖

3.3 最優減推力航跡和噪聲級確定

如上文所述，不同最小距離的最小減推力結束點噪聲角已通過航跡計算獲得，最小減推力值依據規章要求已確定。利用圖5得到不同最小距離的最小減推力結束點的PNLT以及對應PNLTM，可繪制PNLTM-PNLT(ΔdB)與減推力結束點噪聲角的關系圖；同樣可以繪制減推力開始點的ΔdB，但此時需要將減推力開始點的噪聲角轉換為減推力結束點噪聲角。然后確定開始點和結束點ΔdB等于10dB的噪聲角，如圖6所示?？赡艽嬖趦煞N情況：一是減推力開始點ΔdB曲線(實線)位于減推力開始點曲線下方，根據最優減推力實施點判定原則，減推力開始點為約束點，對應的結束點的噪聲角θ1為最優減推力實施噪聲角；二是減推力開始點ΔdB曲線(虛線)位于減推力開始點曲線上方，根據最優減推力實施點判定原則，減推力結束點為約束點，對應的噪聲角θ2為最優減推力實施噪聲角。因噪聲角與減推力基準航跡的一一對應關系，可以計算航跡相關特征點坐標，獲得最優減推力基準飛行航跡。根據最優基準航跡，利用NPD數據庫可以得到減推力飛越噪聲的EPNL，用以判斷是否滿足CCAR-36部規章要求。

圖6 最優減推力約束點確定示意圖

4 結論

本文給出了運輸類飛機減推力飛越噪聲合格審定的一種優化方法，利用起飛噪聲NPD數據庫對減推力基準航跡特征點噪聲級進行評估，確定最優減推力航跡和噪聲級。此方法作為飛行試驗替代方法，可以顯著節省研制成本和時間；同時優化采用曲線回歸方法，具有參數的擴展性，在NPD數據庫限定范圍內可以用于后續衍生飛機型號減推力飛越噪聲級確定。

[1] 中國民航局.CCAR-21-R3民用航空產品和零部件合格審定規定[S].北京： 中國民航局，2007：5.

[2] 唐狄毅，等. 飛機噪聲基礎[M].西安：西北工業大學出版社,1995： 64.

[3] 中國民航局.AC-36-AA-2008-04 航空器型號和適航合格審定噪聲規定咨詢通告[S].北京： 中國民航局，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] 中國民航局.CCAR-36-R1航空器型號和適航合格審定噪聲規定[S].北京： 中國民航局，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

A