Лекция 1

Проблема авиационного шума на местности. Нормирование авиационного шума. Статистический подход к оценке уровня шума самолета на местности. Единицы оценки уровней шума ВС на местности. Уровни шума современных магистральных самолетов. О методах акустической сертификации ВС. Основные нормативные документы

Проблема авиационного шума на местности

Снижение шума окружающей среды – всемирная проблема. Однако подходы к ее решению в разных странах различны и находятся в большой зависимости от культуры, экономики и политики каждой страны. В настоящее время еще не создана единая мировая система оценки последствий воздействия шумов окружающей среды на население и стоимости наносимого ущерба.

Вместе с тем в странах Европейского союза с 1996 г действует такая система и она изложена в так называемой «Зеленой книге ЕС». По оценкам, приведенным в «Зеленой книге», в настоящее время свыше 20% населения земного шара постоянно подвергаются воздействию шума, то есть около 80 млн. человек страдает от недопустимых уровней шума, что проявляется в нарушениях сна, повышении раздражительности и в конечном итоге – в неблагоприятном воздействии на здоровье. Еще 170 млн. граждан Европы живут в районах, где население подвержено воздействию шума в дневное время суток.

В финансовых терминах затраты общества на решение проблемы шума окружающей среды составляют от 0.2% до 2% внутреннего валового продукта, Даже наименьшая из приведенных цифр представляет собой значительную величину.

Гражданская авиация, как одно из самых современных транспортных средств планетарного масштаба, является высокотехнологичной отраслью мировой экономики. В силу этого вся история развития гражданской авиации сопровождается взаимодействием интересов государств, авиакомпаний, аэропортов, компаний – изготовителей авиационной техники. Пристальное внимание общества к экологическим проблемам и острая конкурентная борьба на рынке авиаперевозчиков привели в конце 20-го века к новой шкале приоритетов при создании самолетов, в которой второе место после безопасности полетов прочно заняла проблема шума на местности.

Международная организация гражданской авиации (ИКАО) уже много десятилетий самым прямым образом влияет на проблему защиты окружающей среды от воздействия авиации. В Чикагской Конвенции о международной гражданской авиации, подписанной государствами в 1944 году, данному вопросу не было посвящено ни одной статьи. Но уже через 20 лет, в связи с бурным развитием гражданской авиации, ИКАО приходит к необходимости регулирования и ограничения шума самолетов на местности.

В конце 60-х годов в ИКАО образован Комитет по авиационному шума (CAN), который в 1983 году был преобразован в Комитет по охране окружающей среды от воздействия авиации (CAEP) с целью параллельного решения вопросов шума самолетов и эмиссии авиационных двигателей. В 1971 году появилось Приложение 16 к Чикагской Конвенции, первый том которого регламентирует сертификацию самолетов и вертолетов по шуму на местности, а второй том регламентирует эмиссию авиационных двигателей.

Политика ИКАО в отношении охраны окружающей среды оказывает огромное воздействие на все стороны деятельности гражданской авиации практически во всех странах мира. При этом в своих решениях ИКАО реализует взвешенный подход с учетом неравномерности экономического развития разных стран, особенностей их географического и регионального положения, исторических аспектов, научно-технического потенциала.

Несмотря на очевидные достижения мирового сообщества в регулировании проблемы шума самолетов и вертолетов на местности, существуют и объективные причины обострения данной проблемы. И это в первую очередь - высокие темпы развития мировой гражданской авиации. В настоящее время уровни шума самолетов на местности на режимах взлета и захода на посадку являются главным критерием, определяющим возможность эксплуатации воздушного судна на международных и внутренних авиалиниях.

Нормирование авиационного шума

Различают два вида нормирования шума вообще и авиационного шума в частности – санитарное и техническое.

Санитарное нормирование призвано защитить людей от вредного воздействия шума. Оно регламентирует интенсивность и другие характеристики, определяющие меру вреда, причиняемого организму человека. Санитарные нормы устанавливают предельно-допустимые уровни шума в местах присутствия человека – на территории жилой застройки, вблизи санаторных и лечебных учреждений, в общественных местах, на рабочих местах и т.д.

Техническое нормирование устанавливает предельные характеристики шума для различных видов транспорта, машин и оборудования. Если санитарные нормы устанавливают необходимую степень ослабления шума, то технические нормы определяют технические возможности ослабления шума.

Ограничение шума воздушных судов на местности осуществляется в области и санитарного, и технического нормирования. При этом санитарные нормы авиационного шума носят характер национальных норм и несколько различаются в разных странах по единицам оценки и предельно-допустимым значениям уровня шума.

Технические нормы шума воздушных судов имеют статус как международных, так и национальных. Международные нормы разрабатываются в рамках деятельности ИКАО – Международной организации гражданской авиации - с использованием различных технических требований, определенных Международной организацией по стандартизации (ИСО) и Международной электротехнической комиссией (МЭК).

Национальные технические нормы шума воздушных судов как правило гармонизированы с международными нормами и существуют в виде отдельных частей к Нормам летной годности воздушных судов (Авиационных правил). В России – это АП-36, в США – FAR-36, в Европейском Cоюзе – CS-36.

Самолеты транспортной категории.

Хронология ужесточения международных требований к уровням шума магистральных самолетов на местности имеет свою историю. В 1971 году появилось Приложение 16 к Конвенции о международной гражданской авиации, где в Главе 2 были сформулированы первые нормы на уровни шума самолетов. Уровни шума регламентируются в трех контрольных точках на местности, расположенных, соответственно, сбоку от ВПП и под траекториями взлета и захода на посадку.

В 70-е годы, в связи с внедрением в гражданскую авиацию турбореактивных двигателей с высокой степенью двухконтурности, произошло снижение шумности самолетов. В ответ на это в 1978 году появились новые, более жесткие требования к уровням шума, сформулированные в Главе 3 тома 1 Приложения 16. Эти нормы действуют и в настоящее время, однако им на смену уже приняты ИКАО в 2001 году новые нормы, известные как нормы Главы 4 стандарта ИКАО. Эти нормы жестче норм “Главы 3” на 10 EPN дБ в сумме по трем контрольным точкам на местности. Динамика ужесточения норм ИКАО рассмотрена на рисунке 1.

За 34 года, прошедшие после появления в 1971г первых норм, ужесточение нормативных требований ИКАО к уровням шума на местности самолетов транспортной категории составляет 30 EPNдБ в сумме по трем контрольным точкам на местности.

Рисунок 1

Европарламент и Совет ЕС в 2002г приняли новую Директиву № 2002 / 30 / ЕС в отношении ограничения эксплуатации пересертифицированных реактивных самолетов с двигателями с низкой степенью двухконтурности. Директива устанавливает новый порядок введения ограничений на эксплуатацию на территории стран – членов ЕС любых реактивных самолетов, уровни шума которых соответствуют требованиям норм Главы 3 стандарта ИКАО с запасом не более 5 EPNдБ. Эти самолеты именуются в Директиве как воздушные суда " с малым запасом по соответствию”.

В соответствии с действующими нормами Главы 3 уровни шума реактивных и винтовых пассажирских самолетов с величиной взлетной массы свыше 8618 кг ограничиваются в 3-х контрольных точках на местности, расположенных, соответственно, сбоку от ВПП и под траекториями взлета и захода на посадку (рисунок 2).

Рисунок 2

Точка сбоку от ВПП для самолетов с ТРДД (кт1) располагается на линии, параллельной оси ВПП и удаленной от нее на расстояние 450 м, на траверзе позиции самолета на траектории взлета, где высота полета равна  300 м.

Точка под траекторией взлета - кт2 - находится на удалении 6500 м от линии исполнительного старта, а точка под глиссадой захода на посадку - кт3 - на удалении 2000м от ближайшего торца ВПП.

Для винтовых самолетов допускается использование вместо точки сбоку от ВПП альтернативной точки, расположенной под траекторией взлета в месте, где высота полета самолета достигает величины 650 м.

Предельно-допустимые уровни шума на местности, соответствующие нормам Главы 3 стандарта ИКАО, определяются в зависимости от величины взлетной массы самолета и оцениваются в единицах “эффективный уровень воспринимаемого шума - EPNL, EPNдБ”.

Для 2-х двигательных реактивных и винтовых пассажирских самолетов в области малых взлетных масс (менее 35т - для кт1 и кт3, менее 48.1т - для кт2) величина допустимого уровня шума имеет постоянное значение и составляет для кт1, кт2 и кт3, соответственно, 94 EPNдБ, 89 EPNдБ и 98 EPNдБ (рисунок 3).

В области высоких значений взлетной массы самолета (свыше 400т - для кт1, свыше 385т - для кт2 и свыше 280т - для кт3) величина предельно- допустимого уровня шума на местности также не зависит от значения взлетной массы и составляет для кт1, кт2 и кт3, соответственно, 103 EPNдБ, 101 EPNдБ и 105 EPNдБ.

В промежутках между предельными значениями взлетной массы величина предельно- допустимого уровня шума изменяется по логарифмическому закону:

для кт1  EPNL = 80.87 + 8.51  lg m_ВЗЛ, EPNдБ (1)

для кт2  EPNL = 66.65 + 13.29  lg m_ВЗЛ, EPNдБ (2)

для кт3  EPNL = 86.03 + 7.75  lg m_ВЗЛ, EPNдБ (3)

Рисунок 3

Нормы Главы 4 жестче норм Главы на 10EPNдБ в сумме по трем контрольным точкам на местности. При этом действуют следующие ограничения:

• ни в одной из контрольных точек уровень шума не может быть ниже величины, определяемой нормами Главы 3;

• величина запаса относительно норм Главы 3 по любым двум контрольным точкам должна быть не менее 2-х EPNдБ;

• отменено правило компенсации, которое действует в нормах Главы 3 и в соответствии с которым допускается превышение уровня шума самолета над нормой в одной (до 2-х EPNдБ) или одновременно в двух контрольных точках (до 3-х EPNдБ) при компенсации этого превышения за счет соответствующего снижения уровня шума в других точках.

Винтовые самолеты легкие и коммютерной категории.

В соответствии с действующими Авиационными Правилами РФ (Часть АП-36) и требованиями международного стандарта ИКАО (Приложение 16 к Конвенции о международной гражданской авиации, том1) к данной категории летательных аппаратов относятся все самолеты с винтовыми движителями, величина взлетной массы которых не превышает величины 8620кГ, за исключением самолетов, специально сконструированных для высшего пилотажа, для использования в сельском хозяйстве или для борьбы с пожарами. В авиационных правилах США (раздел FAR36) к данной категории винтовых самолетов относятся и самолеты, специально сконструированные для высшего пилотажа.

В зависимости от даты принятия сертифицирующим органом заявки на сертификацию типа все рассматриваемые самолеты подразделяются на ряд групп, на которые распространяются разные методы определения соответствия и разные величины предельно-допустимых уровней шума на местности. В Авиационных Правилах РФ и в международном стандарте ИКАО принята следующая градация легких винтовых самолетов и самолетов коммютерной категории на группы:

(a) одно и двухдвигательные самолеты, в отношении которых:

(1) сертифицирующим органом была принята заявка на сертифиат типа или выполнена другая аналогичная процедура 1 января 1975г или позже и до 17 января 1988г, за исключение модифицированных вариантов самолетов, в отношении которых сертифицирующим органом была принята заявка на сертификат типа или выполнена другая аналогичная процедура 17 ноября 1988г или позже;

(2) сертификат летной годности для отдельного экземпляра самолета впервые был выдан 1 января 1980г или позже.

(3) сертифицирующим органом была принята заявка на сертификат типа или всех модифицированных вариантов, или выполнена другая аналогичная процедура 17 ноября 1988г или позже;

(b) однодвигательные самолеты, в отношении которых:

(1) сертифицирующим органом была принята заявка на сертификат типа или их модифицированных вариантов или выполнена другая аналогичная процедура 4 ноября 1999г или позже;

(2) сертифицирующим органом была принята заявка на сертификат модифицированного варианта самолета или выполнена другая аналогичная процедура 4 ноября 1999г или позже, но в отношении которых сертифицирующим органом была принята заявка на сертификат типа до 4 ноября 1999г;

(3) самолеты, отвечающие требованиям пункта (b)(2), но заявка на сертификат модифицированного варианта была подана до 4 ноября 2004г.

Уровень шума на местности самолета, относящегося к группе а(1) или а(2), определяется при горизонтальном пролете самолета над точкой измерения шума на местности на высоте 300м. Для всех остальных групп самолетов уровень шума на местности определяется для режима взлета самолета в контрольной точке, расположенной под траекторией взлета на удалении 2500м от линии исполнительного старта. Уровень шума самолета на местности оценивается в единицах дБА и определяется как максимальный суммарный уровень звукового давления в диапазоне частот 45-11300Гц, взвешенный по шкале “ А“ стандартного шумомера.

Величина предельно-допустимого уровня шума в контрольной точке на местности зависит от величины взлетной массы самолета (рисунок 4) и определяется из следующих соотношений:

для самолетов, принадлежащих к группе а(1) или а(2):

уровень шума не должен превышать величины 68 дБA при величине взлетной массы до 600 кг включительно; при величине взлетной массы от 600 кг и до 1500 кг включительно допустимый уровень шума увеличивается в соответствии с градиентом 1 дБА / 75 кг вплоть до величины 80 дБА при массе 1500 кг; для взлетных масс более 1500кг указанный предел остается постоянным и равным 80 дБА вплоть до массы самолета 8620кГ;

для самолетов, принадлежащих к группе а(3), уровень шума на местности не должен превышать значений:

L _Амакс = 76 дБА при М  0.610 ³ кГ;

L _Амакс=83.23 + 32.67 lg(М/10 ³) дБА при 0.610 ³ кГ  М  1.410 ³ кГ;

L _Амакс =88 дБА при 1.410 ³ кГ  М 8.6210 ³ кГ;

для самолетов, принадлежащих к группе b(1) или b(2):

L _Амакс =70 дБА при М  0.5710 ³ кГ;

L _Амакс=78.71 + 35.7 lg(М/10 ³) дБА при 0.5710 ³ кГ  М  1.510 ³ кГ;

L _Амакс =85 дБА при 1.510 ³ кГ  М 8.6210 ³ кГ.

Для самолетов, принадлежащих к группе b(3), предельно-допустимые уровни шума определяются как и для самолетов групп b(1), b(2), а если эти требования не могут быть выполнены, то - как для самолетов группы а(3).

Рисунок 4

Вертолеты транспортной категории и легкие вертолеты.

Уровни шума на местности гражданских вертолетов ограничиваются предельно-допустимыми значениями, установленными в международном стандарте ИКАО, а также в национальных нормах летной годности воздушных судов (FAR-36 в США, JAR-36 в странах Европейского Союза, АП-36 в России). В 2001 году на 33-й Ассамблее ИКАО были утверждены новые, более жесткие нормы на уровни шума на местности вертолетов транспортной категории (нормы Главы 8 стандарта ИКАО) и вертолетов легкой весовой категории (нормы Главы 11 стандарта ИКАО). Новые нормы Главы 8 стали более жесткими по сравнению с предыдущими нормами на 8 EPNдБ в сумме по трем сертифицируемым режимам полета, а новые нормы Главы 11 ужесточились на 2.5 дБSEL для вертолетов с величиной взлетной массы 1.417 3.17 т.

К вертолетам транспортной категории относятся все гражданские вертолеты, за исключением аппаратов, сконструированных исключительно для использования в сельском хозяйстве, для борьбы с пожарами или для транспортировки грузов на внешней подвеске. К вертолетам легкой весовой категории относятся аппараты, взлетная масса которых не превосходит величины 2730кГ. Для каждой категории вертолетов в стандартах установлены разные методы определения соответствия и разные величины предельно-допустимых уровней шума на местности.

Уровень шума на местности вертолета транспортной категории регламентируется для трех режимов полета - взлета, горизонтального полета на высоте 150м и полета по глиссаде захода на посадку (рисунок 5). Для каждого режима полета оценка уровня шума вертолета производится по результатам измерений уровней шума в трех точках на местности, расположенных с шагом 150м на линии, перпендикулярной трассе полета, причем средняя точка располагается непосредственно под трассой полета. Единицей оценки уровня шума вертолета является эффективный уровень воспринимаемого шума - EPNL.

Рисунок 5

Нормы Главы 8 стандарта ИКАО распространяются на те вертолеты транспортной категории, для которых сертифицирующим органом принята заявка на сертификат типа или выполнена другая аналогичная процедура после 1.01.1985г, или принята заявка на изменение типовой конструкции, которое неблагоприятно влияет на сертификационные уровни шума вертолета, после 17.10.1988г.

Для вертолетов, для которых заявка на выдачу первоначального сертификата типа была подана до 1.01.1985г., а также для вертолетов, которые представляют собой первые гражданские варианты вертолетов, спроектированных, построенных и принятых на вооружение в качестве боевых Вооруженными Силами до 1.01.1985г., величина предельно-допустимых уровней шума определяется нормами Главы 8 стандарта ИКАО, увеличенными на 2 EPNдБ для каждого режим полета.

Предельно-допустимые уровни шума по нормам Главы 8 стандарта ИКАО для вертолетов транспортной категории зависят от величины взлетной массы вертолета и составляют:

при взлете:

ЕРNL=89 ЕРN дБ при М<0,8*10³ кг;

EPNL=9,97lg(M/103)+90,03 ЕРN дБ при 0,8*10³кг  М<80*10³кг;

EPNL=109 ЕРN дБ при М  80*10³кг;

при горизонтальном полете:

EPNL=88 ЕРN дБ при М<0,8*10³ кг;

EPNL=9,97 lg(M/103 + 89,03 ЕРNдБ при 0,8*10³кг  М<80*10³кг;

EPNL=108 ЕРNдБ при М  80*10³кг;

при заходе на посадку:

EPNL=90 ЕРNдБ при М<0,8*10³ кг;

EPNL=9,97 lg(M/103 + 91,03 ЕРN дБ при 0,8*103кг  М<80*10³кг;

EPNL=110 ЕРN дБ при М  80*10³ кг.

Правила компенсации. Нормы Главы 8 могут быть превышены на одном или двух режимах полета вертолета, если: (1) сумма превышений не превосходит 4 ЕРN дБ; (2) ни одно из превышений не превосходит 3 ЕРN дБ; (3) превышения полностью компенсируются снижением шума относительно норм на других режимах полета вертолета.

Для вертолета легкой весовой категории уровень шума на местности регламентируется только для режима горизонтального полета на высоте 150м, а оценка уровня шума производится по результатам измерений в одной контрольной точке на местности, расположенной под трассой полета. Единицей оценки уровня шума легкого вертолета является уровень звукового воздействия - SEL.

Для легких вертолетов, для которых сертифицирующим органом выдан сертификат типа или выполнена другая аналогичная процедура после 11.11.1993г, величина предельно-допустимого уровня звукового воздействия составляет:

L = 82 дБ SEL, если М < 0,788*103 кг ;

L = 83,03+9,971g(M/103), дБ SEL, если М  0,788*103 кг, где М - максимальная взлетная масса в кг.

Статистический подход к оценке уровня шума самолета на местности

Уровень шума самолета на местности является случайной величиной, зависящей от большого числа параметров, из которых некоторые также являются случайными. Например, параметры, характеризующие состояние атмосферы (температура, давление, скорость и направление ветра), режим работы силовой установки (скорость вращения ротора двигателя), режим движения самолета по траектории полета (скорость и высота полета). Поэтому в современных стандартах] под уровнем шума на местности понимается интервальная оценка математического ожидания случайной величины. Интервальная оценка предполагает определение доверительного интервала, внутри которого для заранее выбранной доверительной вероятности (надежности) находится оцениваемый параметр. Оценка математического ожидания (М) величины уровня шума самолета при малых объемах выборок и при неизвестной дисперсии случайной величины производится на основе t - распределения Стьюдента :

(4)

где t _k,p - параметр распределения Стьюдента для k = n - 1 степеней свободы и заданной доверительной вероятности P = 1 - α /2 , α - уровень значимости, n - объем локальной выборки, S -оценка среднеквадратичного отклонения для условного среднего значения ( Y ) случайной величины " y ".

, .

Доверительный интервал определяется как

d = (5)

Уровень шума на местности магистрального пассажирского самолета оценивается в единицах "эффективный уровень воспринимаемого шума" - EPNL. В этом случае:

y_j = EPNL_j

_Y =  = (6)

EPNL =  (7)

Существующими стандартами установлено, что при оценке уровня шума самолета доверительная вероятность интервальной оценки должна быть равна 0,9 (90 %), объем локальной выборки уровней шума равен n ≥ 6, а величина доверительного интервала не должна превышать значения d= ЕPNL  1,5 EPN ДБ. Только при выполнении этих ограничений условный средний эффективный уровень шума самолета EPNL является представительной величиной и может сопоставляться с действующими нормами.

Единицы оценки уровней шума ВС на местности

В современных технических нормах, устанавливающих предельно-допустимые уровни шума воздушных судов на местности, применяются различные единицы оценки уровня шума. В стандартах на уровни шума самолетов и вертолетов транспортной категории – это EPNL, EPNдБ – эффективный уровень воспринимаемого шума на местности; для легких винтовых самолетов и самолетов коммютерной категории – L_A, дБА – максимальный суммарный по спектру уровень звукового давления, скорректированный по шкале «А» стандартного шумомера; для легких вертолетов и сверх легких винтовых самолетов – это L_AE, дБА SEL – уровень звукового воздействия.

а/ Эффективный уровень воспринимаемого шума (EPNL)

EPNL представляет собой максимальный уровень воспринимаемого шума, PNLM, с поправками на неравномерность спектра звукового давления (поправка на “тональность”) и на продолжительность звучания верхних 10TPNдБ шума (рисунок 6). При акустических испытаниях измеряются три основные характеристики звукового давления: уровень, распределение по частотам и изменение во времени.

При измерении авиационного шума получают для каждого полусекундного приращения времени мгновенный уровень звукового давления в каждой из 24 третьоктавных полос с центральными частотами в диапазоне 50-10000 Гц. Каждому уровню звукового давления в третьоктавной полосе частот соответствует определенная шумность, выражаемая в ноях (рисунок 7).

Рисунок 6

Рисунок 7

EPNL = PNLTM+D,

D=101g [ (1/Т) antilg (PNLT/10) dt ] – PNLTM,

PNLT(k)=PNL(k)+C(k),

PNL(k) = 40,0 + 33,22 lgN (k),

б/ Максимальный взвешенный уровень звукового давления ( L_A,)

L_A, дБА – максимальный суммарный по спектру уровень звукового давления, скорректированный по шкале «А» (рисунок 8) стандартного шумомера. Метод частотного взвешивания учитывает разную чувствительность человеческого уха к звуку различной частоты.

Рисунок 8

в/ Уровень звукового воздействия (SEL)

Уровень звукового воздействия l_ae соответствует интегрированному за данный период времени квадрату звукового давления, скорректированному по шкале "А" (P_А), по отношению к квадрату стандартного порогового звукового давления (р_о) или 20 микропаскалям, и исходной продолжительности в 1 секунду:

,

где Т_о=1с - исходное время интегрирования, t₂-t₁ - период времени интегрирования.

Выше приведенный интеграл может быть также выражен в следующем виде:

,

где L_A(t) - изменяющийся во времени уровень звукового давления, скорректированный по шкале "А". На практике время интегрирования (t₂ -t₁) соответствует, как минимум, периоду времени, в течение которого LA(t) изменяется на 10 дБA относительно своего максимального значения (рисунок 6, где по оси ординат должна быть отложена величина L_A).

Уровни шума современных магистральных самолетов.

База данных, на основе которых проводится статистический анализ акустических характеристик современных магистральных самолетов, включает в себя 133 типа современных и, в основном, двухдвигательных реактивных пассажирских самолетов западного производства с величиной взлетной массы свыше 35т, прошедших акустическую сертификацию по нормам Главы 3 стандарта ИКАО в течение 1992 - 2000 годов.

Класс магистральных самолетов представлен такими типами ВС европейского и американского производства, как B737, B757, A300, A310, A320, A330, A340, MD90, B777, B747, F100. Самолеты B747 и А340, в отличие от других типов самолетов, имеют 4-х двигательную силовую установку, однако они участвуют в статистическом анализе, чтобы иметь возможность оценить фактические уровни авиационного шума на местности в области больших значений взлетных масс.

В силовых установках самолетов применяются ТРДД франко-американского консорциума CFM, фирм Дженерал Электрик, Пратт-Уитни, Роллс-Ройс, международного двигателестроительного консорциума IAE. Это - ТРДД с высокой степенью двухконтурности (m=4-6) типа CFM 56, RB 211, TRENT 772, CF6-80, PW 4000, PW JT9D-7R4, V 2500.

В основе статистического анализа базы данных лежит определение регрессии (тренда) независимой переменной. Параметром статистического анализа является величина взлетной массы (m_взл ) самолета, а независимой переменной - величина относительного уровня шума dEPNL, определяемого как разность между предельно-допустимым (нормативным - EPNL_N) и фактическим (EPNL_i) значениями уровней шума самолета на местности:

dEPNL = EPNL_N - EPNL_i, EPNдБ

Регрессионное уравнение представляет собой полином степени “n”, числовые коэффициенты которого определяются методом наименьших квадратов, обеспечивающим получение минимальной дисперсии в классе линейных оценок:

dEPNL = a₀ + a₁ x (m_взл ) + a₂ x (m_взл )² + …

Основные результаты статистического анализа для трех диапазонов взлетных масс, соответственно, 40-120т, 140-190т и 220-400т приведены на рисунках 4а/б/в/.

Рисунок 4а

Рисунок 4б

Рисунок 4в

Можно видеть, что уровни шума на местности современных магистральных самолетов 90-х годов, в конструкции планера которых внедрены новейшие достижения аэродинамики, а в силовых установках применяются ТРДД с высокой степенью двухконтурности (m=4-6) и специальные системы шумоглушения (звукопоглощающие конструкции в воздухозаборнике и в газо-воздушных трактах двигателя), значительно ниже требований норм Главы 3 стандарта ИКАО.

Средняя величина снижения уровней шума относительно норм Главы 3 стандарта ИКАО мирового парка реактивных самолетов, сертифицированных по нормам Главы 3 в течение 1992-2000 г, составляет (в скобках указана величина запаса относительно норм Главы 4 стандарта ИКАО):

• для диапазона взлетных масс 40120т – 13 18 EPNдБ (3 8 EPNдБ),

• для диапазона взлетных масс 140190т - 10.5 13.5 EPNдБ (0.5 3.5 EPNдБ),

• для диапазона взлетных масс 220400т – 12 24 EPNдБ (2 14 EPNдБ).

Таким образом для каждого диапазона взлетных масс среднестатистический самолет производства США и ЕС, выполненный по технологиям 90-х годов и прошедший акустическую сертификацию в течение 1992  2000 г, соответствует требованиям норм Главы 4 стандарта ИКАО.

В задаче исследования возможностей снижения уровней шума самолета на местности с помощью совершенствования его системы шумоглушения остается открытым вопрос о том, до какого уровня следует уменьшить шум самолета, чтобы обеспечить его беспрепятственную эксплуатацию на международных авиалиниях хотя бы в течение ближайших 8-и  10-и лет вплоть до 20102012 годов.

В общем случае ответ на вопрос не очевиден. Однако для отечественных самолетов новых типов, которые появились на авиалиниях в 90-х годах, достижение среднестатистических уровней шума позволит им выполнять требования норм Главы 4 стандарта ИКАО со следующими запасами в сумме по трем контрольным точкам на местности (рис.3):

• 14-15 EPNдБ – для самолетов с величиной взлетной массы 55-65т (Як-42Д);

• 45 EPNдБ - для самолетов с величиной взлетной массы 100115т (Ту-204-100, Ту-214);

• 34 EPNдБ – для самолетов с величиной взлетной массы 190200т (Ил-76Т/Д);

• 1012 EPNдБ - для самолетов с величиной взлетной массы 230240т (Ил-96-300).

Ретроспективный анализ динамики изменения нормативных требований к шуму самолетов, которое имело место в течение прошедшего десятилетия, позволяет прогнозировать уровень требований на текущее десятилетие (20002010 годы). По-видимому, для отечественных самолетов выпуска 90-х годов будет достаточным достижение среднестатистического уровня акустического совершенства самолетов 90-х годов с запасом до 5 EPNдБ. Но это не относится к самолетам, которые появятся на авиалиниях после 2010 года – для них прогнозируемые уровни шума должны соответствовать требованиям норм Главы 4 с запасом не менее 15EPNдБ во всем диапазоне изменения рассматриваемых взлетных масс.

О методах акустической сертификации ВС

В настоящем разделе рассмотрены общие принципы установления соответствия акустических характеристик воздушного судна требованиям действующих норм. Подробная информация по методам акустической сертификации ВС представлена в соответствующих нормативных документах ИКАО.

Все методы определения соответствия (МОС) подразделяются на две группы: стандартные методы и эквивалентные методы.

Стандартные МОС базируются на летном эксперименте, как основном способе получения данных о шуме базового самолета семейства. Летный акустический эксперимент выполняется для каждого типа летательного аппарата в соответствии с методикой, изложенной в документе ИКАО «Охрана окружающей среды. Приложение 16 к Конвенции о международной гражданской авиации. Том 1, Авиационный шум».

Эквивалентные МОС дают возможность получать информацию об акустических характеристиках самолетов, которая по точности и надежности является эквивалентной данным, получаемым с помощью стандартных МОС, и вместе с тем требуют меньших затрат на проведение испытаний. Рекомендованные в Техническом руководстве ИКАО эквивалентные МОС для дозвуковых реактивных самолетов подразделяются на две группы:

• методы сертификации базового самолета семейства, для реализации которых необходимо проведение летных испытаний,

• метод сертификации модифицированных вариантов семейства, использующий результаты статических наземных испытаний двигателя и результаты летных испытаний базового варианта самолета.

Эквивалентные методы летных испытаний, такие как имитация траектории полета, получение и использование параметрических зависимостей шума от режима работы силовой установки (СУ) и от расстояния до самолета ("NPD" зависимости), применяются на практике в приложении к самолетам-прототипам (базовым самолетам семейства). Эти же эквивалентные методы применяются и при акустической сертификации модифицированных вариантов самолетов, когда модификация планера или силовой установки не изменяет акустических характеристик источников шума - элементов силовой установки (СУ) и планера. Примером может служить акустическая сертификация модифицированных вариантов самолетов типов Як-42, Ту-134, Ту-154, Ту-204, Ту-214, Ил-62, Ил-76, Ил-96.

Если же модификация ВС вызывает изменение акустических характеристик источников шума, то для определения уровней шума ВС на местности необходимо использовать либо процедуру летных испытаний, либо применять эквивалентный метод, основанный на экстраполяции на полетные условия результатов акустических испытаний СУ самолета в статических условиях.

Эквивалентный метод, базирующийся на наземных акустических испытаниях двигателя, позволяет:

• Минимизировать затраты на демонстрацию соответствия уровней шума самолета требованиям норм стандарта ИКАО за счет отсутствия необходимости в проведении дополнительных летных акустических испытаний самолета с модифицированной силовой установкой,

• Получать более надежную демонстрацию небольших различий в уровнях шума модифицированных вариантов семейства самолетов,

• Использовать ранее полученные летные данные при акустической сертификации базового варианта семейства самолетов.

Основные нормативные документы

1 Охрана окружающей среды. Приложение 16 к Конвенции о международной гражданской авиации. Том 1. Авиационный шум. Изд. 4-е, ИКАО, 2005г

2 Техническое руководство ИКАО по окружающей среде, регламентирующее использование методик при сертификации воздушных судов по шуму. ИКАО, ДОС. 9501-AN/929, 3-е издание, 2004 г.

3 Авиационные Правила. Часть АП-36, Сертификация воздушных судов по шуму на местности. Межгосударственный авиационный комитет, 2003г

4 Самолеты пассажирские и транспортные. Допустимые уровни шума, создаваемого на местности. ГОСТ 17228-87

5 Самолеты пассажирские и транспортные. Метод определения уровней шума, создаваемого на местности. ГОСТ 17229-85

6 Самолеты винтовые легкой весовой категории. Допустимые уровни шума, создаваемого на местности, и методы его измерения. ГОСТ 23023-78

7 Вертолеты гражданской авиации. Допустимые уровни шума и методы определения уровней шума на местности

8 Двигатели газотурбинные и силовые установки. Акустические характеристики и методы их измерения. ОСТ 100036-84.

9 Federal Aviation Requlation, Part 36 : Noise Standarts : Aircraft Type and Airworthiness Sertification. FAA.