适航噪声和航空发动机噪声的控制

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　　大型客机的噪声水平涉及飞机的适航、安全和舒适等多个方面。为了控制民用航空对环境噪声的影响，国际民航组织在全世界推广“平衡做法”。

　　平衡做法从四个方面管理民用航空的活动对环境噪声的影响：

　　  · 通过促进、发展和推进先进气动噪声控制技术，控制飞机和发动机噪声水平，并通过适航法规强制实施。

　　  · 通过土地使用规划和管理，把机场周边的土地分类规划。


　　  · 通过减噪运行程序降低飞行器低空运行噪声。


　　  · 通过时间和空域的运行限制控制飞机噪声对机场周边社区环境的影响

　　图1 基于机场噪声等值线分布规划的机场周边功能区划分

　　图2 典型的起飞降噪程序剖面

　　国际上现行的适航法规指的是国际民航公约附件16“环境保护”第I卷“航空器噪声”中。国际民航组织 (ICAO) 环境保护委员会 (CAPE) 负责制定飞机噪声的国际标准。国际民航组织的成员国通过引用的方式，将国际民航组织的公约(包括附件)纳入本国法律体系，以产生法律约束力。美国联邦航空局FAA颁布的FAR-36，中国民用航空局颁布的CCAR-36和欧洲航空安全局颁布的CS-36即是本国或地区对航空器噪声的强制性法规。

　　对于飞机和发动机制造商而言，不断发展先进气动噪声控制技术来减少飞机和发动机噪声水平，并适时推出满足适航要求的更经济、更安静、更环保的飞机和发动机产品，成为民用航空制造业领域内的重要竞争手段。

　　民用客机的主要噪声源有以下几大类：

　　  · 发动机噪声：包括风扇噪声、喷流噪声、涡轮噪声以及核心噪声等。


　　  · 机体噪声：包括增升装置噪声、起落架噪声以及动力系统与机体干扰噪声。


　　早期喷气式民用飞机普遍采用了从军用飞机移植过来的涡轮喷气发动机，发动机高速喷流产生的强烈喷流噪声，成为民用飞机降噪设计的主要对象。正是对喷流噪声的研究，催生出了流体力学领域一门新的交叉学科—气动声学 (Aeroacoustics)，现在通常以1952年Lighthill气动声学方程的发表作为气动声学学科建立的标志。气动声学理论的第二大里程碑是上世纪60年代，美国学者Tyler和Sofrin针对轴流式压气机噪声问题，提出的管道旋转声模态和模态截止设计理论。至此奠定了气动声学研究和飞机噪声控制技术的两大基石，在此基础上发展出的各种围绕喷流噪声、叶轮机噪声、机体噪声，甚至于燃烧不稳定的半经验模型、解析模型、数值模型、试验数据处理方法和噪声控制手段被广泛应用于喷气式飞机、直升机、螺旋桨飞机、桨扇式发动机的气动噪声控制和燃烧不稳定控制，实现了传统构型飞机的商业成功。

　　针对民用航空发动机气动噪声的研究工作可以大致分为以下三个阶段：

　　  · 第一阶段(1950-1970年)：民用航空发动机降噪设计研究的重点是喷流噪声控制。通过发展降低喷流速度、增加发动机涵道比，提高涡扇发动机的推进效率的循环参数设计技术，使得民用飞机噪声辐射得到了显著的降低。需要注意的是循环参数优化设计，是目前发动机噪声控制优先考虑的噪声抑制手段。


　　  · 第二阶段(1970-1990年)：民用航空发动机降噪设计的重点是风扇噪声。随着涡轮风扇发动机涵道比的不断提高，相应的发动机排气速度逐渐减小，具有超声速叶尖速度和巨大尺寸的风扇产生的气动噪声，逐渐成为民用航空发动机主要噪声源。这一阶段，人们发展了转静叶片数截止设计、单级低压风扇、增大转静间距、、短舱消声声衬一系列风扇噪声控制技术。大大降低了高涵道比涡扇发动机的风扇噪声。


　　  · 第三阶段(1990年至今)：民用航空发动机降噪设计的重点是先进降噪设计。


　　为了应对国际航空运输总量的持续增长和机场环境噪声日益突出的矛盾，欧美针对未来30年-50年民用航空的发展趋势，各自提出了绿色环保航空的预先研究计划，典型的欧洲航空研究咨询委员会 (ACARE) 上世纪90年代发起的X-Noise和后来的Clean Sky项目，联合了欧洲几乎所有的飞机制造商、发动机制造商、发动机部件供应商以及相关的高校和研究机构，针对民用航空气动声学的噪声源机理和工具开发、叶轮机械噪声源控制技术、排气噪声控制技术、机体噪声控制技术和飞机静音操作程序等几个大的研究方向展开联合公关。ACARE预计到2020年的民用航空环境保护技术可以实现二氧化碳排放比2000年降低50%，NOx排放比2000年降低80%，噪声排放比第四阶段噪声降低10EPNdB。

　　美国NASA于二十世纪90年代联合工业界和高校研究机构展开了先进亚音速技术 (AST) 噪声控制计划和安静飞机技术 (QAT) 项目，所研究的噪声控制方法涵盖了飞机/发动机部件级噪声控制研究，包括风扇、排气系统、起落架和增升装置等。

　　波音公司从2000年开始联合罗罗、美国航空公司、通用电气、古德里奇、NASA和全日空先后启动了安静技术验证机计划QTD1 和QTD2，分别针对发动机部件噪声控制、飞机机体噪声控制、飞发一体化声学设计和飞机安静操作程序等几个大的方向展开联合攻关。

　　NASA规划了更具有挑战性的航空基础技术计划 (Fundamental Aeronautics Program)，计划到2015年可用的民用亚音速飞机技术能实现燃油消耗33%的降低，NOx排放降低60%，噪声排放比第三阶段噪声水平降低32dB。到2020年可以使用的民用亚音速飞机技术能实现燃油消耗40%的降低，NOx排放降低70%，噪声排放比第三阶段噪声水平降低42dB。而到2030年可以利用的民用亚音速飞机技术能实现燃油消耗70%的降低，NOx排放降低75%，而噪声控制的水平能保证机场周边的噪声水平(昼夜噪声级)达到55LDN(dB)，相当于在地面交通比较繁忙的情况下机场的正常运营对机场周边环境没有影响。目前已经成功应用的涡扇发动机低噪声设计技术包括超大涵道比低压低叶尖速度弯掠风扇、转静叶片数截止设计、无缝声衬、机匣和支板声衬、OGV支板融合设计、锯齿喷管、LPT转静叶片数截止、涡轮后机匣高温声衬等。如图3所示。

　　图3 成功应用的低噪声涡扇发动机降噪技术

　　图4 逐渐成熟的低噪声发动机降噪技术

　　与此同时，一些新概念、新构型飞机和发动机低噪声设计技术在日益严峻的发动机的经济性、环保性要求下正逐步成熟。典型的新概念、新构型飞机和发动机低噪声设计技术比如齿轮传动风扇 (GTF)、对转桨扇发动机、翼身融合设计、多扇发动机等如。

　　来源：心动商发公众号(ID：ACAE2009)