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基于減噪飛行程序設計的機場噪聲敏感區優化仿真

2019-11-22 23:11:32 科技風 2019年28期

李小虎

摘 要:隨著我國民航的迅猛發展,機場規模不斷擴大,機型不斷增多,起降架次持續增多,機場周邊的噪聲污染日益嚴重,亟需得到有效控制。通過改進飛行程序改善噪聲污染,因其方案制定周期短,應用型強,得到廣泛認可。本文通過減噪進離場飛行程序設計,對噪聲敏感區進行優化,使用AEDT進行仿真,分別給出了單機型噪聲優化與機場整體優化結果,顯示用近端減噪離場爬升程序(NADP1)設計、離場偏置、連續下降進近程序(CDA)可以達到明顯優化效果。

關鍵詞:飛行程序;減噪;機場噪聲優化

Abstract:With the rapid development of civil aviation in China,the scale of the airport has been continuously expanded,the number of aircraft has been increasing,the number of movements has continued to increase,and the noise pollution around the airport has become increasingly serious and needs to be effectively controlled.Improving noise pollution through improved flight procedures is widely recognized due to its short programming cycle and strong application.In this paper,the noise-sensing area is optimized by the noise reduction flight procedures design,Simulate with AEDT,the single aircraft noise optimization and airport overall optimization results are given respectively.The results show that the near-end noise reduction departure climbing procedures(NADP1)、departure deviation,continuous descent approach(CDA)can achieve significant optimization.

Key words:Flight procedure;noise reduction;airport noise optimization

隨著民航業的快速發展,機場規模擴大,起降架次不斷增多。在人民的物質生活普遍提高的同時,對生活環境的要求也越來越嚴格,機場運營帶來的空氣和噪音污染是不可避免的,而尤以噪聲問題最為突出。航空器噪聲影響受到許多因素的制約,機場跑滑系統的平面布局,飛行程序,飛機性能,航班量預測、航班起降時刻、周邊噪聲敏感點性質及位置以及城市規劃等多種因素相關。世界范圍內對于機場噪聲的研究在上世紀60年代就有了成果,國際民航組織(ICAO)等機構制定了一系列機場噪聲相關指標。美國自1978年以來根據FAA的1050令,對于改擴建及新建機場必須做環境影響評價,并規定了評價模型,使用統一噪聲評價模型INM(Integrated Noise Model)進行預測評價。[1]我國相關研究起步較晚,80 年代由國家環保總局頒布了兩個國家標準:GB9660-1988和 GB/T9661-1988,提供了一些噪聲監控方法。通過飛行程序改進減噪作為經濟有效的方案被提出以來,日益受到研究人員的重視。2006年ICAO提出減噪離場飛行程序NADP和連續下降進近程序CDA。在研究層面,S.Kreth[2]采用計算機仿真技術,探索了諸如推力、高度、襟翼和斜距等變量對飛機進離場噪聲的影響,指出了飛機降噪可行的優化方向。許躍鳳、胡榮等研究了基于BADA模型的飛機持續爬升運行減噪效果,得到CCO離場程序比傳統離場程序可有效降低噪聲水平。[3]李東亞基于CDA程序定量評估了其減噪效果,驗證CDA程序優勢。[4]陳雪蕊、呂宗平進行了飛行程序減噪多目標優化研究,并求解仿真,提出面向降低機場噪聲影響的飛行程序優化。[5]

1 噪聲評價指標概述

國際上,20世紀50年代后期以來,飛機噪聲對周圍環境的影響逐漸變得嚴重,有關學者開始研究適合飛機噪聲特性的評估方法。世界各國的噪聲評價指標不盡相同,表1列出了部分指標。雖然各國國情、人文環境有差異,但是各指標之間也有一定的聯系,達到的效果有相似的也有不同的。總的來說可以分為兩類,一是評價單個噪聲事件的影響程度,二是評價多個噪聲事件的累加影響。

分三段,夜間+10Db,傍晚+5dB

為了客觀準確評價噪聲對敏感區的影響程度,本文采用PNL,WECPNL分別作為累積事件噪聲與單個事件噪聲評價指標。WECPNL可以表示噪聲對人們全天的平均影響,全天分為三段加權,也是我國主要使用的評價指標。PNL感覺噪聲級考慮了頻率、音調、聲強因素,可以用來衡量人們對飛機從頭頂飛越時的主觀感受。從A聲級LA或D聲級LD變換到感覺噪聲級PNL可用以下公式近似:

PNL≈LA+12.4(1)

PNL≈LD+6.6(2)

計權等效連續感覺噪聲級WECPNL是由國際民航組織推薦的評價指標。它基于EPNL,并對白天、晚間、夜間劃了界線,乘以不同的權值。[7]

WECPNL=EPNL+10lg(N1+3N2+10N3-39.4)(3)

式中:

N1——晝間(07:00~19:00)的飛行架次數;

N2——晚間(19:00~22:00)的飛行架次數;

N3——夜間(22:00~07:00)的飛行架次數;

EPNL——EPNL的平均值,表達式如下:

EPNL=10lg1T0∫t1t2100.1TPNL(t)dt(4)

式中:

T0——基準時間,取10秒;

t1,t2——持續時間;

TPNLi——經過純音修正的感覺噪聲級。

2 減噪飛行程序設計

2.1 減噪離場飛行程序設計

國際民航組織給出的減噪離場爬升程序有NADP1和NADP2兩種,NADP1用于減輕靠近跑道離場端的噪聲敏感區的噪聲,NADP2用于減弱距跑道端較遠處的噪聲敏感區噪聲。[8]本文采用NADP1離場爬升程序,如下圖。

擬采用A320-211來說明單機型離場減噪程序,A320-211機型減噪離場爬升程序的速度、高度、推力剖面描述:

第一階段 使用最大起飛推力和起飛襟翼進行起飛;

第二階段 使用最大起飛推力和起飛襟翼爬升到800FT;

第三階段 使用減推力、保持起飛襟翼和以速度V2+10到40km/h(V2+10到20KT)進行加速爬升;

第四階段 繼續保持前階段狀態但更大爬升率進行加速爬升;

第五階段 繼續保持前階段狀態但更大爬升率進行加速爬升;

第六階段 以減推力爬升到3000FT;

第七階段 使用最大爬升推力、收襟翼到光潔機身進行加速爬升;

第八階段 使用最大爬升推力和光潔機身進行爬升到5500FT;

第九階段 使用最大爬升推力和光潔機身進行爬升到7500FT;

第十階段 使用最大爬升推力和光潔機身進行爬升到10000FT。

此后高度很高,產生的噪聲影響已經很小,不納入減噪分析程序中。

使用減躁爬升程序前后推力剖面圖如下:

除了離場爬升程序以外,某些機場在特定時間(通常是夜間)采取特殊的減噪飛行程序實現減噪,如通過航跡偏置來避開噪聲敏感區的方法,在后面仿真中將把兩種離場減躁方法結合進行仿真。

2.2 連續下降進近程序(CDA)

連續下降進近(CDA),通常是指從6000英尺到切入下滑道之間的初始進近階段;理想的CDA可以實現從巡航飛行高度不間斷的下降,但實踐中常指無水平飛行超過2海里或2.5海里航段的下降。CDA可以降低初始下降期間的整體推力要求,使飛機能夠在更高的高度停留更長的時間,從而減少噪音對地面的影響。除減少噪聲外,CDA還可以產生排放上的效益。

由于縮短了飛機平飛距離,當飛機飛越機場附近的住宅區時,噪音的影響會降低。CDA程序作為一種新的飛機進近程序,提出后被歐美等國家反復驗證,在洛杉磯機場、路易斯韋爾國際機場、關西機場、阿姆斯特丹、斯德哥爾摩以及倫敦西斯羅機場成功使用,CDA在減噪、減排、節油、減少進近時間有明顯效果。相比傳統梯度下降程序,CDA避免平飛下降,從一定高度使用閑置推力,優化低阻配置直至到達定位點。從圖4可以看到CDA進近程序與傳統程序相比區別在于,在10034英尺到7000英尺不是以3度下滑角下降而是保持平飛,低于7000英尺再以3度下滑角進入下滑道。使用CDA程序前后推力剖面如下。

3 實例仿真

3.1 A320-211采用NADP1與離場偏置結合減噪程序

針對于廈門高崎機場23號跑道的情況,采取NADP1離場程序,離場后往東南方向偏執15°的方案實現減噪,通過AEDT軟件模擬結果如圖7,8,將偏置前后的噪聲等值線圖進行對比分析:可以看出,噪聲等值線隨著航跡偏置發生偏置,可以得出通過航跡偏置及近端減噪來避開噪聲敏感區的方法是可行的,而且兩者結合的優化結果要優于單個程序優化。

注:以上噪聲等值線圖以5分貝為間隔,最外圍噪聲等值線值為55分貝,以5分貝逐漸向里遞增,最內圍是75分貝,以后圖亦同。

3.2 A320-211采用連續下降進近程序

由圖5,6可以看到,按照現行進近方案實施下降,推力剖面如下:從IF點開始,發動機保持慢車狀態,在下降階段推力值很小,直到開始平飛,推力逐漸增大,在FAF點之后推力增大幅度增大,達到一定值后又開始減小直到跑到入口;從跑道入口開始,發動機從慢車狀態改為反推狀態,反推力最大值為發動機最大推力的40%,一直到飛機停下,發動機推力為0。按照連續進近方案實施下降,推力剖面如下:從IF點開始,發動機保持慢車狀態,推力逐漸增大,在FAF點之后推力增大幅度增大,達到一定值后又開始減小直到跑到入口,從跑道入口開始,發動機從慢車狀態改為反推狀態,反推力最大值為發動機最大推力的40%,一直到飛機停下,發動機推力值為最大推力的10%。使用23號跑道進行仿真如圖9,10。

3.3 綜合減噪結果

離場航空器為了盡可能的減少起飛噪聲對噪聲敏感區的影響,在條件許可前提下,對廈門機場05號、23號離場采用近端減噪離場爬升程序(NADP1)。進場航空器為減少著陸噪聲對噪聲敏感區的影響,盡可能晚一些放下起落架及襟翼。為盡可能的減少著陸噪聲對噪聲敏感區的影響,航空器著陸階段盡可能限制使用反推。仿真的所有機型有C90,A330,A320,B737,B747,每方向進場比例3∶57∶4∶57∶4,每方向離場比例1∶14∶1∶14∶1,進場方向2個,離場方向8個,進場總量250架次,離場總量250架次。綜合減躁結果如下圖表。

經過對軟件仿真結果的分析,可以得出,在近期航班量預測的條件下,按照前述的減躁飛行程序進行減噪,各等級噪聲區域面積均有減小,高等級噪聲區域減少比例尤為明顯,大于70dB噪聲值的影響面積大幅減小,該減噪措施可以滿足要求。

4 結論

(1)采用國際民航組織采用的近端減噪聲程序(NADP1)對靠近跑道離場端的噪聲敏感區起到了良好的減噪效果。

(2)采用離場偏置程序對靠近跑道離場端任意一側的噪聲敏感區起到了減噪效果。

(3)采用離場偏置程序和近端減噪程序對靠近跑道離場端任意一側的噪聲敏感區起到了更加明顯的減噪效果。

(4)通過以上的設計分析可見,采用連續下降進近程(CDA)對跑道遠端的噪聲敏感區起到了減噪效果。

參考文獻:

[1]武喜萍.飛行程序噪聲評價及減躁措施研究[D].南京:南京航空航天大學,2010.

[2]KRETH S.Approach and departure procedure variations to reduce and redistribute noise[R].Boston:American Institute of Aeronautics and Astronautics,2013:3-15.

[3]許躍鳳,胡榮,張軍峰,張菲菲.基于BADA模型的飛機持續爬升運行減噪效果研究[J].交通運輸系統工程與信息,2017,17(4):201-205.

[4]李東亞.基于CDA程序的機場噪聲評估與控制研究[D].南京:南京航空航天大學,2017.

[5]陳雪蕊.面向降低機場噪聲影響的飛行程序優化研究[D].天津:中國民航大學,2016.

[6]王艷華,馮霞,徐濤.機場噪聲評價量分析與比較[J].噪聲與振動控制,2013,04(2):178-181.

[7]王維.我國機場噪聲評價量與噪聲影響的定量關系[J].應用聲學,2004,23(1):8-11,34.

[8]ICAO.Circular 205-AN/1/25.Recommended method for computing noise contours around airports.1988.

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