機(jī)場(chǎng)實(shí)施CDO和CCO的航空器噪聲消減效果分析

王維 邵穎

(中國(guó)民航大學(xué)機(jī)場(chǎng)學(xué)院，天津 300300)

從20世紀(jì)80年代改革開放至今，我國(guó)民用運(yùn)輸機(jī)場(chǎng)的數(shù)量持續(xù)增長(zhǎng)。值得注意的是，我國(guó)機(jī)場(chǎng)航空器噪聲影響問(wèn)題也呈上升趨勢(shì)，備受公眾關(guān)注。為控制機(jī)場(chǎng)噪聲，我國(guó)于1988年頒布實(shí)施國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 9660—88機(jī)場(chǎng)周圍飛機(jī)噪聲環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。目前，我國(guó)民航運(yùn)輸機(jī)主要是波音、空客系列航空器，具有較好的噪聲適航性。因此，從噪聲源(航空器本身)進(jìn)一步降低噪聲的空間不大。限制機(jī)場(chǎng)飛行架次，雖能降低噪聲影響，但與機(jī)場(chǎng)增長(zhǎng)航空業(yè)務(wù)量的訴求相悖，也不利于機(jī)場(chǎng)航空運(yùn)輸價(jià)值發(fā)揮。因此，通過(guò)航空器在機(jī)場(chǎng)起、降方式改變來(lái)降低噪聲影響，一直是重要的研究方向。在這方面，持續(xù)下降運(yùn)行CDO(Continuous Descent Operation)和持續(xù)爬升運(yùn)行CCO(Continuous Climb Operation)一直備受關(guān)注。2010年和2013年，國(guó)際民航組織ICAO(International Civil Aviation Organization)分別頒布9931號(hào)文《CDO手冊(cè)》和9993號(hào)文《CCO手冊(cè)》，對(duì)機(jī)場(chǎng)實(shí)施CDO，CCO進(jìn)行規(guī)范和指導(dǎo)。其初始目的是通過(guò)飛行程序的優(yōu)化減少航空器在飛行過(guò)程中的燃油消耗和污染物排放，但事實(shí)上此舉對(duì)消減機(jī)場(chǎng)航空器噪聲影響也有一定效果[1]。2016年，我國(guó)在廣州白云國(guó)際機(jī)場(chǎng)開始CCO/CDO試點(diǎn)工作；2018年北京首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)、昆明長(zhǎng)水機(jī)場(chǎng)分別開展CCO/CDO運(yùn)行嘗試。關(guān)于機(jī)場(chǎng)實(shí)施CCO/CDO的減噪效果研究，目前在我國(guó)剛剛起步。

1 噪聲評(píng)價(jià)量和分析工具

我國(guó)現(xiàn)行機(jī)場(chǎng)航空器噪聲評(píng)價(jià)量采用了國(guó)際民航組織(International Civil Aviation Organization,ICAO)推薦的計(jì)權(quán)等效連續(xù)感覺(jué)噪聲級(jí)LWECPN，但美、歐等國(guó)家多采用晝夜等效聲級(jí)LDN或晝晚夜等效聲級(jí)LDEN。就物理意義而言，LWECPN是指全天平均每秒航空器噪聲對(duì)人的有效感覺(jué)噪聲級(jí)LEPN作用；LDN是指全天平均每秒航空器噪聲對(duì)人的A聲級(jí)作用[2]。前者基于噪度，綜合了噪聲的強(qiáng)弱、人耳聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)對(duì)聲音的生理效應(yīng)和人對(duì)聲音的心理感覺(jué)三種因素，是人們?cè)谥饔^上對(duì)噪聲煩惱或厭惡程度的衡量[3]；后者基于響度，考慮了聲音的物理效應(yīng)和人耳聽(tīng)覺(jué)的生理效應(yīng)[4]。雖然LWECPN能較好地反映噪聲對(duì)人的影響，但是指標(biāo)生僻，只有少數(shù)國(guó)家使用，不便理解，計(jì)算復(fù)雜，不能直接測(cè)量。我國(guó)生態(tài)環(huán)境部于2017年發(fā)布了針對(duì)GB 9660—88機(jī)場(chǎng)周圍飛機(jī)噪聲環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)修訂的征求意見(jiàn)稿，即《機(jī)場(chǎng)周圍區(qū)域航空器噪聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》。修訂標(biāo)準(zhǔn)擬用LDN取代LWECPN。因此，本文采用LDN作為機(jī)場(chǎng)航空器噪聲評(píng)價(jià)量。

本文采用的航空器噪聲影響分析工具為綜合噪聲模型(Integrated Noise Model,INM)。INM是基于SAE AIR 1845算法、由美國(guó)聯(lián)邦航空局FAA支持開發(fā)的機(jī)場(chǎng)噪聲分析軟件[5]。軟件可根據(jù)航空器特定操作模式、推力設(shè)置、機(jī)場(chǎng)條件、聲源—接收者幾何關(guān)系和氣象參數(shù)等相關(guān)因素、借助噪聲—推力—距離(NPD)關(guān)系來(lái)計(jì)算航空器噪聲影響。INM綜合考慮了機(jī)場(chǎng)條件、航空器性能、機(jī)型組合、飛行架次、飛行路徑，是目前世界上機(jī)場(chǎng)噪聲分析應(yīng)用最廣的計(jì)算工具[6]。

2 CDO及其減噪效果分析

CDO是一種航空器運(yùn)行技術(shù)。通過(guò)適當(dāng)?shù)目沼蛞?guī)劃、程序設(shè)計(jì)以及空中交通管制ATC簡(jiǎn)化手續(xù)，來(lái)優(yōu)化飛行剖面，使航空器采用低發(fā)動(dòng)機(jī)推力、在低阻力形態(tài)下，實(shí)現(xiàn)航空器持續(xù)下降[7]。

下面利用INM計(jì)算說(shuō)明實(shí)施CDO與常規(guī)進(jìn)近的航空器噪聲影響差異。

計(jì)算條件為：

1)單跑道機(jī)場(chǎng)。

2)運(yùn)行機(jī)型：B737-300；B777-300；A320-211。

3)日起降架次：上述每種機(jī)型均為每天100架次，其中晝、晚、夜的架次分別為70，25，5。

4)離場(chǎng)航跡：直線離場(chǎng)，航段長(zhǎng)度16 nm，具體見(jiàn)圖1。

5)航跡散布范圍：采用進(jìn)近保護(hù)區(qū)寬度。

使用INM分別對(duì)常規(guī)進(jìn)近程序和CDO進(jìn)行計(jì)算，得到噪聲等值曲線圖，見(jiàn)圖2，圖3。

由表1可見(jiàn)，與常規(guī)進(jìn)近相比，實(shí)施CDO的減噪效果明顯，DNL大于55 dB，60 dB，65 dB，70 dB，75 dB的影響面積分別減少了5.64%，2.09%，4.11%，16.68%，23.79%。特別是DNL大于70 dB，75 dB的影響區(qū)域，面積分別減小16.68%，23.79%，效果尤其顯著。

表1 噪聲影響面積 km2

由圖2可以看出，常規(guī)進(jìn)近程序和CDO的最后進(jìn)近角度相同、航徑重合，因此在DNL>80 dB的噪聲影響面積相同；而航空器進(jìn)入下滑道之前實(shí)施連續(xù)下降、減少了平飛段，使得在75 dB～80 dB聲級(jí)范圍內(nèi)降噪效果更加顯著。事實(shí)上，影響航空器進(jìn)近過(guò)程噪聲的兩個(gè)主要因素分別是飛行高度和推力設(shè)置。實(shí)施CDO之所以能獲得減噪效果，一是減少了航空器的平飛段，使其飛行平均高度增加，噪聲的地面影響衰減；二是在運(yùn)行中航空器保持發(fā)動(dòng)機(jī)低推力、低阻力構(gòu)形，使得發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲和機(jī)身空氣動(dòng)力噪聲同時(shí)下降。

3 CCO及其減噪效果分析

CCO是在航空器低阻力配置下，以最小水平飛行距離和發(fā)動(dòng)機(jī)推力變化量，在最大速度允許范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)連續(xù)爬升的飛行航徑[8]。

下面利用INM計(jì)算說(shuō)明CCO與標(biāo)準(zhǔn)離場(chǎng)程序的噪聲影響差異。

計(jì)算條件為：

1)單跑道機(jī)場(chǎng)。

2)運(yùn)行機(jī)型：B737-300。

3)日起降架次：每天300架次，其中晝、晚、夜的架次分別為210，75，15。

4)離場(chǎng)航跡：直線離場(chǎng)，航段長(zhǎng)度16 nm，具體見(jiàn)圖4。

5)航跡散布分布：分別采用離場(chǎng)保護(hù)區(qū)寬度。

使用INM分別對(duì)標(biāo)準(zhǔn)離場(chǎng)程序和CCO進(jìn)行計(jì)算，得到噪聲等值曲線圖，見(jiàn)圖5，圖6。

由表2可見(jiàn)，與標(biāo)準(zhǔn)離場(chǎng)相比，實(shí)施CCO在各聲級(jí)范圍均獲得明顯的減噪效果。DNL大于55 dB，60 dB，65 dB，70 dB，75 dB，80 dB的影響區(qū)域面積分別減少了14.97%，14.22%，22.24%，32.83%，25.21%，18.63%。其中，DNL大于70 dB，75 dB的影響區(qū)域，面積分別減小32.83%，25.21%，效果尤其顯著。

表2 噪聲影響面積比較 km2

由圖5可以看出，標(biāo)準(zhǔn)離場(chǎng)和CCO的初始爬升階段相同，差別在于航空器進(jìn)入加速爬升段后，標(biāo)準(zhǔn)離場(chǎng)航空器通過(guò)交替的平飛、爬升和構(gòu)形改變最終到達(dá)初始巡航高度，而實(shí)施 CCO的航空器通過(guò)基于性能的飛行剖面優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了持續(xù)、快速爬升，使得航空器的CCO航徑始終在標(biāo)準(zhǔn)離場(chǎng)航徑之上，減噪效果的取得主要源于航空器飛行高度提高和保持低阻力構(gòu)形。

4 結(jié)語(yǔ)

1)航空器實(shí)施CDO/CCO是一種有效的機(jī)場(chǎng)運(yùn)行減噪措施，能在不限制機(jī)場(chǎng)航空器運(yùn)行架次情況下消減機(jī)場(chǎng)航空器噪聲影響。

2)與常規(guī)進(jìn)近相比，機(jī)場(chǎng)實(shí)施CDO后的航空器噪聲影響區(qū)域面積減少。其中，DNL大于70 dB，75 dB的影響區(qū)域面積分別減小16.68%，23.79%，減噪效果尤其明顯。

3)與標(biāo)準(zhǔn)離場(chǎng)程序相比，機(jī)場(chǎng)實(shí)施CCO后的航空器各噪聲聲級(jí)的影響面積都顯著減少。特別是DNL大于70 dB，75 dB的影響面積分別減小32.83%，25.21%，效果尤其顯著。

4)CDO/CCO的減噪效果主要源于航空器飛行高度提高、采用低阻力構(gòu)形和發(fā)動(dòng)機(jī)低推力設(shè)置。

5)鑒于CDO/CCO的安全性已得到飛行驗(yàn)證，因此對(duì)具有噪聲影響的民用機(jī)場(chǎng)可考慮推廣使用，這對(duì)于控制我國(guó)機(jī)場(chǎng)航空器噪聲影響、增進(jìn)社會(huì)和諧，對(duì)建設(shè)綠色機(jī)場(chǎng)和實(shí)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)可持續(xù)發(fā)展都具有重要價(jià)值和意義。