Шум, по данным Международной организации гражданской авиации (International Civil Aviation Organization , ICAO), считается основным фактором негативного воздействия авиационной техники на население в окрестностях аэропортов. Поэтому неудивительно, что ICAO планомерно ужесточает требования по шуму самолетов на местности. Авиастроителям, создающим новые воздушные суда, приходится заранее закладывать такие характеристики своих машин, которые могли бы соответствовать международным требованиям на десятилетия вперед. Не стал здесь исключением и новый отечественный ближне-среднемагистральный самолет МС-21-300. Его сертификационные летные испытания, в том числе и по шуму на местности проходят в настоящее время в Летно-исследовательском институте (ЛИИ) им. М. М. Громова в подмосковном Жуковском.

Поговорки и приложения

Есть такая русская поговорка – «Много шума, да мало толку». Ее, можно сказать, буквально понимают авиастроители, стараясь максимально возможно снизить шумовые характеристики своих самолетов на местности.

В сводном заявлении о постоянной политике и практике ICAO в области охраны окружающей среды, принятом исполнительным комитетом этой организации по итогам 40-й сессии ассамблеи ICAO в октябре 2019 года, в частности говорится: «В области уменьшения уровня шума и эмиссии, создаваемых международной гражданской авиацией, достигнуты значительные успехи. Например, благодаря существенному техническому прогрессу уровень шума, создаваемого выпускаемыми в настоящее время воздушными судами, уменьшился на 75 % … по сравнению с воздушными судами 1960-х годов».

Еще в 1971 году советом ICAO было принято приложение 16 к конвенции о международной гражданской авиации. Приложение называлось «Об охране окружающей среды». В его первом томе были изложены требования к производимому самолетами разных классов шуму на местности. Это приложение действует и по сей день. Правда, за почти полвека своего существования документ неоднократно корректировался: требования к воздушным судам, в том числе и в области уровня производимого ими шума, регулярно ужесточались. Требованиям следуют сегодня все участники этой международной организации, а их уже 193: 192 страны-члена ООН (лишь Лихтенштейн, который не имеет международного аэропорта, не входит в ICAO ) и плюс к ним еще острова Кука (самоуправляющееся островное государственное образование в южной части Тихого океана, не являющееся членом ООН и находящееся в свободной ассоциации с Новой Зеландией).

Были случаи, когда старые модели самолетов, не отвечающие скорректированным нормам ICAO по шуму, приходилось выводить из эксплуатации. Например, с этим столкнулись российские авиакомпании в 2002 году, когда старые машины советской постройки, такие как Ту-134, Ту-154М, Ту-154Б, Ил-86 и некоторые другие, перестали допускать к полетам над территорией Евросоюза. Их шумовые характеристики на местности оказались выше новых норм ICAO . Так что очень верна для авиации и еще одна известная русская пословица, начало которой вынесено в заголовок этой заметки: «Тише едешь, дальше будешь». Только «тише» здесь не «медленнее», а именно «тише» – то есть «менее шумно».

Еще на 7 децибел

Источником шума, издаваемого самолетом, в первую очередь служит его маршевая силовая установка. «Конечно, основной источник шума на самолете – это двигатель, – говорит инженер-конструктор 1-ой категории корпорации “Иркут” Татьяна Лесных. – Поскольку н а двигатель у нас получены сертификаты по уровню шума, то можно было бы с ними сразу и сертифицировать самолет. Но на шум на местности также влияют и другие элементы воздушного судна – например, планер, шасси, механизация крыла».

Как сообщало ICAO в материалах той же 40-й сессии, «с оздание доверительных взаимоотношений с населением все чаще рассматривается в качестве рациональной практики решения проблемы негативной реакции на авиационный шум». Но, естественно, организация предлагает бороться с шумом перво-наперво создателям авиатехники, что те успешно и делают. «В 2017 году вступили в силу ограничения по шуму главы 14 приложения 16 ICAO , – говорит н ачальник сектора, руководитель испытательной лаборатории «Авиашум» ЛИИ им. М. М. Громова Андрей Наквасин . – Дополнительно на 7 децибел ограничиваются суммарные – по трем точкам измерений – уровни шума на местности тяжелых гражданских самолетов. С 2021 года эти ограничения будут применяться ко всем типам гражданских самолетов».

Все новые гражданские самолеты допускаются к эксплуатации при положительных результатах сертификационных летных испытаний по шуму на местности. В этих испытаниях определяется соответствие уровней шума требованиям норм при взлете, наборе высоты и заходе на посадку.

Достижения и улучшения

«Производители воздушных судов и авиационных двигателей активно работают над снижением уровня авиационного шума, а крупные достижения в конструировании планеров и силовых установок (двигатель и гондола) в сочетании с улучшениями летно-технических характеристик воздушных судов дополнительно способствуют его снижению.

Производители воздушных судов продолжают работать над снижением уровня авиационного шума, создаваемого всеми существенными источниками, в частности шума реактивной струи, шума вентилятора и шума, создаваемого планером воздушного судна…

Одновременно с разработкой технологий снижения шума очень важно учитывать более широкий контекст сбалансированного подхода к управлению авиационным шумом, который включает планирование и организацию землепользования, эксплуатационные приемы снижения шума и эксплуатационные ограничения, в целях решения проблемы шума наиболее эффективным с точки зрения затрат способом», – из сводного заявления о постоянной политике и практике ICAO в области охраны окружающей среды (принято в октябре 2019 года исполнительным комитетом организации по итогам 40-й сессии ассамблеи ICAO ).

Шум померит «Авиашум»

Сертификационные летные испытания по различным направлениям, в том числе испытания по определению уровня шума на местности, проводятся в ЛИИ им. М. М. Громова с 1973 года. В настоящее время сертификационные испытания самолета МС-21-300 проводит на своей акустической измерительной базе испытательная лаборатория «Авиашум» Летно-исследовательского института. Лаборатория прошла аккредитацию Росавиацией.

Уникальность практического опыта и технических возможностей ЛИИ им. М. М. Громова позволяет проводить такие работы на высочайшем профессиональном уровне. «Во время полета контролируется множество параметров с использованием акустических, метеорологических, траекторных и бортовых систем, – говорит Андрей Наквасин . – Результаты всех измерений оперативно обрабатываются и анализируются после завершения каждого полета».

В траве сидел кузнечик

Что же собой представляет акустическая измерительная база ЛИИ им. М. М. Громова? Прежде всего это акустические измерительные системы, оснащенные спутниковыми синхронизирующими каналами и микрофонами, которые устанавливаются на измерительных позициях с точной геодезической привязкой к взлетно-посадочной полосе аэродрома. «Для измерения уровней шума самолета МС-21-300 используются комплекты отечественной аппаратуры “ЭКОФИЗИКА GPS/RTA”, обеспечивающей регистрацию звукового давления в линейном рабочем диапазоне 23-127 децибел с частотой 48 килогерц, – рассказывает Андрей Наквасин. – Благодаря наличию в данной аппаратуре каналов регистрации спутникового сигнала точность синхронизации акустических измерений на всех измерительных позициях составляет 1/48 000 секунды». Сигнал с микрофонов передается в спектроанализаторы, откуда результаты измерений поступают в систему обработки экспериментальных данных.

Стандарты ICAO помимо требований к характеристикам и способам установки измерительной аппаратуры также предъявляют требования к условиям измерений, в частности к уровням фонового шума от посторонних источников. В районе акустических измерений во время испытательного полета вводится режим тишины с использованием системы управления воздушным движением. Она в зависимости от воздушной обстановки либо ограничивает полеты посторонних воздушных судов в радиусе 10 км от контрольной точки аэродрома, либо корректирует время подхода МС-21-300 к измерительной базе таким образом, чтобы исключить воздействие постороннего шума на результаты измерений.

Но повлиять на измерения способны и, казалось бы, неожиданные «живые источники помех». «Летом в полях вокруг аэродрома обитает достаточно много разной живности. Измерениям могут помешать даже кузнечики, которые садятся на ветрозащитные экраны микрофонов. Поэтому при проведении испытаний на измерительной точке присутствует специалист, который контролирует отсутствие насекомых на микрофонах», – поясняет с улыбкой Андрей Наквасин .

Однако требования приложения 16 ICAO к проведению сертификационных испытаний не ограничиваются уровнями фонового шума. Учитываются траектории полета испытуемого самолета, его полетная конфигурация и режимы работы двигателей. Важна и метеорологическая обстановка как у поверхности земли, так и на высоте полета самолета.

Скрупулезное пилотирование

Программа испытаний МС-21-300 по шуму предусматривает проведение значительного числа полетов самолета, в каждом из которых выполняется серия проходов над микрофонами на различных высотах во взлетных и посадочных конфигурациях при различных режимах работы двигателя.

«В 2018 году мы проводили предварительные испытания самолета МС-21-300 по шуму на местности, – вспоминает Андрей Наквасин . – Полученные на том этапе результаты показали, что характеристики шума МС-21-300 имеют существенный запас по отношению к действующим нормам». Однако два года назад испытания велись при взлетной массе существенно меньшей, чем заявлена на сертификацию. Конструкция самолета также существенно отличалась от типовой. При таких отличиях невозможно точно рассчитать изменение акустических характеристик. Поэтому для сертификации воздушного судна и потребовалась новая программа испытаний в Жуковском, которая позволит получить характеристики шума на местности самолета типовой конструкции.

Стандартами ICAO ограничиваются уровни поправок, которые при обработке результатов испытаний вносятся для учета отклонений от заданных траекторий и скоростей пролета над акустической измерительной базой. Поэтому основное требование к летному экипажу при проведении испытаний по шуму – точное выдерживание всех режимов и обеспечение минимальных отклонений от исходных траекторий и скоростей. В этом случае значения поправок к измеренным уровням шума будут минимальны.

После очередного полета МС-21-300, включавшего целую серию проходов над акустической базой ЛИИ им. М. М. Громова на различных режимах, командир воздушного судна в том полете летчик-испытатель ОКБ им. А. С. Яковлева Андрей Воропаев рассказывает: «Основная проблема этих полетов – в точном выдерживании траектории и в точном выдерживании скорости. При выполнении сертификационных полетов на определения шума на местности на этих самолетах необходимо, не изменяя режим работы двигателя, выдержать точно скорость и выдержать точно траекторию. То есть, уход на 20 метров влево или вправо – это уже считается незачет. Поэтому мы используем все возможные средства для того, чтобы режимы были зачетными».

По словам Воропаева, еще одна сложность таких испытательных полетов в том, что в каждом из них предусмотрено большое количество режимов. «Сегодня, например, полет длился 4 часа, – поясняет летчик-испытатель. – И в каждом заходе точность выдерживания скорости была плюс-минус 3 узла. Высота прохода над контрольной точкой в конце полосы, где стоят микрофоны, была 120 метров плюс-минус 20. Поэтому надо еще с удаления 6 километров сделать правильный расчет с какого момента в зависимости от метеоусловий начать снижение. И при этом не менять режим работы двигателя: он в соответствии с заданием должен всегда оставаться на конкретном режиме. Вот это и составляет основную сложность – такое скрупулезное пилотирование».

Поэтому во всех таких полетах в управлении самолетом участвуют все члены экипажа. Как рассказывает Андрей Вопропаев, при выполнении прохода правый летчик (второй пилот) точно устанавливает режим работы двигателя, а левый пилот (командир воздушного судна) точно держит траекторию. Кроме того, штурман – третий член экипажа, участвующий в этих испытательных полетах, – постоянно дает подсказки о начале очередного режима, о корректировке траектории и так далее.

Решения в реальном масштабе времени

Еще одним большим помощником в испытаниях по шуму выступает группа управления летным экспериментом. В ходе каждого полета в реальном масштабе времени проводятся траекторные измерения, передаваемые по телеметрическому каналу связи, на основании которых и осуществляется управление экспериментом.

Испытания с использованием телеметрии начались в ЛИИ им. М. М. Громова еще в 1980-е годы. До того обработка данных и анализ результатов могли проводиться только после окончания полета. Все данные были на бумаге в виде графиков и таблиц. Инженеры на земле их анализировали. Только после этого ведущие инженеры по испытаниям решали, что делать дальше, составляли задание на следующий полет – какие проводить эксперименты, на каких режимах.

Появление возможности передавать телеметрическую информацию произвело революцию в летных испытаниях. Теперь стало возможным наблюдать в режиме реального времени как ведут себя системы самолета, получать все данные испытаний, тут же их анализировать и сразу же принимать решения о дальнейшем ходе испытаний – повторить какой-то режим, или уже не нужно, или его как-то изменить. И все это в реальном времени, когда самолет в воздухе. Всего с момента начала использования передачи телеметрических данных в ЛИИ им. М. М. Громова уже выполнено более 8 тыс. таких испытательных полетов.

В лаборатории института, где идет прием и обработка телеметрической информации, на нескольких экранах отображается вся текущая ситуация испытательного полета. «На первом экране у нас летно-технические характеристики, конфигурация самолета, – рассказывает начальник сектора 94 лаборатории НИО-9 ЛИИ им. М. М. Громова Валентина Досьева . – Следующий экран отображает состояние систем управления самолета. На нем представлена такая же приборная панель, как и на борту самолета. На следующем экране – карта с указанием местонахождения самолета и с траекторией его полета. На следующем – воздушная обстановка, благодаря чему мы можем видеть все самолеты, которые в данный момент находятся в воздухе в районе аэродрома. Следующий экран показывает, как проходит режим по шумам. Здесь отражен допустимый коридор и реальная траектория самолета, положение самолета в данный момент в этом коридоре, а также представлены данные об оборотах двигателей».

Для подтверждения соответствия нормам ICAO самолет должен выполнить так называемую матрицу режимов. Для этого иногда требуется выполнить несколько сотен проходов над микрофонами. «В ходе одного испытательного полета самолет, как правило, выполняет более 20 режимов захода на посадку или взлета со строго оговоренными требованиями по скорости, оборотам двигателей и траектории полета, – рассказывает Татьяна Лесных . – Руководитель испытаний ведет радиосвязь и сообщает экипажу после каждого режима, какие есть замечания и что нужно подкорректировать. Например, изменить обороты двигателей, скорость, траекторию».

Жесткие метеоограничения

Важной составляющей сертификационных полетов по шуму является их метеорологическое обеспечение. «Методика испытаний жестко ограничивает область допустимых метеорологических параметров – скорость ветра, нижний край облачности, атмосферные осадки, характер изменения температуры и влажности воздуха по высоте», – поясняет Андрей Наквасин .

У поверхности земли эти данные непрерывно регистрирует специализированная метеостанция ЛИИ им. М. М. Громова. Ее датчики установлены на мачте высотой 10 м. С помощью метеостанции специалисты испытательной лаборатории «Авиашум» проводят измерения метеорологических параметров и передают их руководителю испытаний. Он оценивает соответствие метеоусловий требованиям ICAO и принимает решение о целесообразности выполнения испытательного полета в данных условиях. В процессе выполнения полета руководитель испытаний оценивает зачетность испытательных режимов по скорости ветра у земли, и в случае необходимости предлагает экипажу повторить незачетные режимы.

Требования ICAO к атмосферным условиям при проведении сертификационных испытаний не менее жесткие, чем требования к выдерживанию траектории полета. Инженер испытательной лаборатории «Авиашум» ЛИИ им. М. М. Громова Михаил Данилов помнит их наизусть: «Метеорологические параметры не должны превышать следующих ограничений: отсутствие осадков, температура должна быть не выше +35 ° С и не ниже -10 ° С. Средняя составляющая ветра не должен превышать 6,2 м/с, а максимальная скорость ветра быть не больше 7,7 м/с. Средняя боковая составляющая ветра не должна превышать 3,6 м/с, максимальная – не превышать 5,6 м/с. Влажность должна быть не выше 95 % и не ниже 20 %».

Вертолет-зондировщик

Дважды за время испытательного полета самолет уходит в зону ожидания на 15 минут. Такие перерывы необходимы для измерения параметров атмосферы до высоты пролета МС-21-300 над микрофонами. Эту задачу выполняет летающая лаборатория аэрологического зондирования на базе вертолета Ми-8АМТ. «Метеорологические ограничения приложения 16 ICAO не позволяют выполнять испытательные полеты при некоторых атмосферных явлениях, например, при температурной инверсии, – поясняет Андрей Наквасин. – Это положительный градиент изменения температуры по высоте. Вертолет-зондировщик с аэрологической аппаратурой на борту может определить за 15 минут до начала испытательного полета самолета наличие температурной инверсии. Если инверсия присутствует, то полет будет перенесен на более поздний период, когда после прогрева поверхности земли температурная инверсия разрушится».

Летающая лаборатория Ми-8АМТ оснащена аэрологическим зондом, установленным на внешней подвеске. Длина подвески составляет 12 метров, что обеспечивает вывод аппаратуры за пределы зоны воздействия несущего винта на малых скоростях полета. На Ми-8АМТ также установлен комплекс бортовых траекторных измерений КБТИ-М, который позволяет с высокой точностью привязать метеорологические данные к траектории полета и получать оперативную информацию о состоянии атмосферы в режиме реального времени.

Требования ICAO предписывают выполнять метеозондирование не ранее чем за полчаса до выполнения первого испытательного режима по шуму на местности. Далее метеозондирования следуют с периодом 45–60 минут одно за другим, для того чтобы можно было контролировать изменение параметров в процессе выполнения полета самолета. Поэтому, как правило, для обеспечения одного полета самолета МС-21-300 по шуму вертолет выполняет 4 метеозондирования: одно – до начала полета самолета, в процессе выполнения полета – еще два, после завершения полета выполняется завершающее метеозондирование.

Результаты для сертификации

На основе данных, полученных по результатам измерений с помощью наземной метеостанции и аэрологического зонда, проводится корректировка измеренных уровней шума на отличие фактических атмосферных условий от исходных. Воздушное пространство между микрофонами и источником шума – самолетом разбивается на слои. Учет температуры и влажности воздуха в каждом слое в итоге оказывает влияние на уровни шума, получаемые по результатам этих испытаний.

Для обработки и анализа результатов испытаний по шуму на местности применяются сложные алгоритмы. Высокотехнологичная система комплексной обработки данных отображает в реальном времени для каждой точки траектории самолета значения всех измеряемых параметров: текущий уровень шума в контрольных точках на местности, характеристики атмосферы, режим работы двигателей и другие. На основе этой информации рассчитываются уровни шума в исходных условиях.

На испытаниях присутствуют эксперты от независимых сертификационных центров и наблюдают вместе с сотрудниками корпорации «Иркут» и ЛИИ им. М. М. Громова за выполнением режимов по заданным траекториям. Эти эксперты, контролируя соблюдение всех требований по траекториям, скоростям, режимам работы двигателей и бортовых систем, подтверждают зачетность полученных в ходе испытаний данных. Они же в дальнейшем будут подтверждать также отчетную документацию по испытаниям. Затем отчет будет согласован сертификационными центрами и представлен авиационным властям Российской Федерации – в Росавиацию для подтверждения соответствия нормам ICAO . В итоге, результаты испытаний самолета будут использованы для сертификации по российским нормам и для подготовки к сертификации в Европе.