基于平均飛行航跡的CCO減噪效用研究

王維，雷靜

(中國民航大學交通科學與工程學院，天津 300300)

0 引言

隨著民航運輸業的快速發展，我國飛機噪聲污染問題越來越嚴重。近年來，因機場飛機噪聲引起的擾民糾紛屢有發生。目前，由于我國民航運輸機主要為波音、空客系列，具有較好的噪聲適航性，從噪聲源(飛機)進一步降低噪聲的空間不大。而通過限制機場起降架次，雖可降低噪聲影響，但與機場航空業務量增長的訴求相悖，也不利于機場航空運輸價值的發揮。因此，通過改變飛機在機場的起、降方式來減少噪聲影響，一直是重要的研究方向。機場飛行程序的變更、優化，具有周期短、易于實施的優點。由于飛機的起飛噪聲大于著陸，因而本文主要對離場飛行程序—連續爬升運行程序(Continuous Climb Operation,CCO)的減噪效用進行研究。

國外從20世紀末就已開始飛行程序減噪研究。文獻[1]對機場降噪方法進行梳理，給出的降噪方法包括：橫向航跡管理以及垂直剖面管理、速度和飛機外形管理，其中橫向航跡管理包括噪聲優先航線、航跡分散/集中。針對離場程序，Visser等[2]建立了離場航線噪聲數值模型，以便進行降噪程序優化設計。Kreth[3]指出應用新型減噪飛行程序有利于減少噪聲影響，分別對減噪程序的主要參數(高度、推力、斜距和襟翼設置)等變量進行改變，分析飛機進離場噪聲的影響因素，從而得到飛機降噪的新思路。在國內的研究中，王超等[4]以減少飛行成本和降低離場程序噪聲影響為目標，進行了多目標優化設計研究；錢戈[5]以飛行程序經濟性和簡便性作為優化目標，以飛行程序安全性和噪聲影響為約束條件，建立了飛行程序多目標優化設計模型，并使用改進的多目標蟻群算法對模型進行優化求解。呂宗平等[6]提出了噪聲最優航跡的概念，首先對不同航跡進行航跡聚類，以噪聲最優航跡指導飛行程優化，為飛行程序設計與優化提供理論依據。

但是，目前針對連續爬升運行CCO特別是其減噪效用方面的研究尚少，開展相關研究對消減機場噪聲影響具有重要價值。

1 機場噪聲評價模型

1.1 飛機噪聲評價量

我國目前機場飛機噪聲評價量為國際民航組織(International Civil Aviation Organization,ICAO)推薦的計權等效連續感知噪聲級LWECPN，但美國、歐洲等多數國家采用晝夜等效聲級LDN或晝晚夜等效聲級LDEN。LWECPN雖可較好地反映噪聲對人的影響(基于噪度)，但指標生僻，不便理解、測量和計算，只有少數國家使用。因此，我國在修訂國家機場噪聲標準(征求意見稿)時采用LDN取代了LWECPN。LDN的指標原理與我國《聲環境質量標準》相同，提高了機場噪聲標準與城市噪聲標準的相容性；使用LDN作為評價量，有利于學習借鑒其他國家在機場噪聲控制方面的經驗和成果。本文采用LDN作為機場飛機噪聲的評價量。

1.2 基于飛機NPD數據噪聲計算模型

1.2.1 單次飛行暴露聲級

單次飛行噪聲計算，首先應確定飛機進離場過程中預測點與飛行航跡的垂直距離即斜距，再基于某種飛機噪聲基本數據噪聲(Noise)-功率(Power)-距離(Distance)(NPD)進行插值計算，最后根據實際飛行狀態修正得到單架飛機的暴露聲級。

(1)斜距計算

式中：R為預測點到飛行航跡的斜距；L為預測點與地面投影航跡的垂直距離；h為飛機與預測點的高差；γ為飛機的爬升角。

(2)NPD數據插值

NPD數據是假設飛機在理想狀態下平穩飛行時，在特定機型、飛行狀態下，飛機噪聲級與發動機推力、距離之間的函數。NPD數據根據飛機噪聲與性能數據庫(ANP)中的噪聲數據得到。

圖1 斜距計算示意圖Fig.1 Schematic diagram of slope distance calculation

①推力插值計算

②距離插值計算

通過推力插值與斜距插值可以得到所需距離和推力下的噪聲值。為了得到更準確的噪聲值，還要進行速度、側向衰減等方面的修正計算。

(3)噪聲修正計算

單架飛機的暴露聲級為

式中：LSE(F，R)為發動機推力為F的飛機在與其斜距為R的地面預測點處的暴露聲級；Δv為速度修正因子；ΔL(β，L)為側向衰減修正因子。

1.2.2 預測點晝夜等效聲級

晝夜等效聲級是在單架次噪聲暴露聲級的基礎上，考慮了人們在夜間的噪聲敏感性，對夜間噪聲給予10倍的補償。計算公式為

式中：LSE，Avg為全天內飛行活動的平均暴露聲級；Nd為晝間(6:00～22:00)的飛行架次；Nn為夜間(22:00～次日6:00)的飛行架次。

平均暴露聲級LSE，Avg計算公式為

式中：LSEi為第i次飛行活動的暴露聲級；N＇為一天內所有飛行架次即晝間架次與夜間架次之和(Nd+Nn)。

1.3 噪聲影響分析工具

本文采用的飛機噪聲影響分析工具為綜合噪聲模型(Integrated Noise Model,INM)。INM是由美國聯邦航空局FAA支持開發的基于SAE AIR 1845算法的機場噪聲分析軟件[7]。軟件可根據飛機特定進離場模式、推力設置、機場條件、聲源-接收者幾何關系和氣象參數等相關因素，借助噪聲-推力-距離(NPD)關系來計算飛機噪聲影響。INM綜合考慮了機場條件、飛機性能、機型組合、飛行架次、飛行路徑、飛行時段，是目前世界上機場噪聲分析應用最廣的計算工具[8]。

2 平均飛行航跡和連續爬升運行

2.1 平均飛行航跡

2.1.1 概念

航跡[9-10]是飛機的實際飛行軌跡，須遵循飛行程序。但是由于飛行員駕駛的行為習慣、駕駛水平不一，使得即使執行同一飛行程序，實際航跡也會有所不同。在進行飛機噪聲預測時，首先需要獲得飛機的航跡等相關信息。通常，都是使用標稱航跡作為計算依據。但在實際飛行中，飛機的真實航跡與標稱航跡往往差別大。為了保證航空噪聲預測的準確性，本文采用基于飛機性能統計數據確定的平均飛行航跡，與飛機真實航跡相近，因而得到的噪聲預測結果更為準確。

2.1.2 確定方法

平均飛行航跡與標稱航跡計算的主要區別是爬升梯度和轉彎速度。

(1)轉彎半徑確定

①指示空速確定

標稱航跡使用的速度一般基于安全考慮，預留了較大的空間，與真實速度往往有較大區別。為了保證噪聲預測的準確性，預測航跡要與飛機真實航跡盡量保持一致，特別對于離場轉彎程序，可以使用基于飛機性能的統計速度數據來確定平均飛行航跡。基于飛機性能的統計數據與飛機的真實飛行速度之間誤差更小，更有利于轉彎半徑確定的準確性。平均飛行航跡使用的基于性能的統計速度數據如表1所示。

②真空速確定

真空速通常利用空速換算因子(K)進行計算：真空速VTA=儀表速度VIA×空速轉換因子K。

③轉彎坡度確定

在指定高度轉彎時，不同高度轉彎要求的轉彎坡度角也不同，具體如下：使用15°的坡度直至高度為305 m(1 000 ft)；高于915 m(3 000 ft)時使用25°的坡度；為了避免不同的轉彎坡度對轉彎半徑的形成造成影響，在305 m(1 000 ft)-915 m(3 000 ft)之間使用20°的坡度；同樣也可根據表1得到。

表1 基于飛機性能的統計速度Table 1 Statistical speeds based on aircraft performance

④計算轉彎半徑

轉彎率以及轉彎半徑計算公式為

式中：R為轉彎率；v為真空速；α為轉彎坡度；r為轉彎半徑；π取3.141 6。

根據以上步驟進行計算，可以利用離場航圖中的標稱航跡數據得到平均飛行航跡的航跡信息，進而利用INM進行噪聲計算。

2.2 連續爬升運行

根據ICAO文件DOC9993定義，連續爬升運行(CCO)是一種飛機操作技術，基于空域設計、飛行程序設計和一定的空中交通管制放行許可，根據飛機性能優化飛行剖面，使飛機能夠在整個爬升過程中以設定的最佳速度和發動機推力達到初始巡航高度從而減少燃油消耗和污染物排放。雖然實行CCO的初始目的是通過飛行程序的優化減少飛機在飛行過程中的燃油消耗和污染物排放，但事實上此舉對消減機場飛機噪聲影響也有一定效果[11]。CCO實施了飛行推力、高度的優化，其與標準儀表離場程序(Standard Instrument Departure,SID)相比的剖面如圖2所示。

圖2 SID與CCO的飛行剖面Fig.2 Flight profiles for SID and CCO

由圖2中的飛行剖面可知，與SID相比，CCO減少了平飛階段，實現快速爬升，使噪聲源盡快升高，達到節能降噪的效果。

3 減噪效用評估分析

選取國內某大型機場的主要離場方向，其主要機型為B737-700、B737-800、A320-211。下面利用INM分別對執行SID程序和CCO程序的機場噪聲進行預測計算。

3.1 噪聲影響面積

利用INM模型計算，分別得到標準儀表離場程序SID和連續爬升運行程序CCO在不同噪聲級下的噪聲影響面積，如表2所示。

由表2可知，CCO與SID相比，在各聲級范圍均獲得明顯的減噪效果。LDN大于55，60，65，70，75，80，85 dB的影響區域面積分別減少 了 21.16%、 20.78%、 19.85%、 19.67%、25.70%、28.03%、23.47%。其中，LDN大于75，80，85 dB的影響區域面積減少較多，減噪效果尤為顯著。

表2 SID與CCO離場程序的噪聲影響面積對比Table 2 Comparison of the areas affected by noise in SID and CCO departure procedures

3.2 噪聲影響區域形狀

設置LDN在55～85 dB范圍內，每間隔5 dB輸出一條噪聲等值線，SID程序和CCO程序的噪聲等值線結果如圖3和圖4所示。

圖3 SID程序噪聲等值線圖Fig.3 Noise contour map of SID departure procedure

圖4 CCO程序噪聲等值線圖Fig.4 Noise contour map of CCO departure procedure

比較可知，當LDN<80 dB時，SID和CCO的噪聲等值線形狀相似，當LDN>80 dB時，噪聲等值線發生了較大變化，CCO的高噪聲區域面積顯著減少。隨著飛行高度的增加，噪聲影響區域逐漸變大。

由圖2可知，相較于SID程序，CCO程序在離場加速爬升階段減少了飛機的平飛段，使飛機及時提高飛行高度，把地面噪聲盡快轉化為空中噪聲；同時執行CCO程序時飛機在爬升中采用低阻力構形和低發動機推力等設置，使飛機在氣動性能和發動機性能等方面也盡可能減少噪聲影響。

4 結論

本文通過研究得到以下幾個結論：

(1)飛機實施CCO是一種有效的機場運行減噪措施，能在不限制機場飛機運行架次情況下消減機場飛機噪聲影響。

(2)CCO與SID相比，在各聲級范圍均獲得明顯的減噪效果。LDN大于55，60，65，70，75，80，85 dB的影響區域面積分別減少了21.16%、20.78%、19.85%、19.67%、25.70%、28.03%和23.47%。

(3)對于高噪聲影響區域(LDN大于75，80，85 dB)CCO的減噪效果更好。

(4)CCO的減噪效果主要源于飛機及時提高飛行高度，把地面噪聲盡早轉化為空中噪聲；以及飛機在爬升中采用低阻力構形和低發動機推力設置。

(5)國內已有部分機場實施CCO運行，安全性已得到驗證，因此具有噪聲困擾的民用機場可考慮推廣使用。