Наукова школа - «Авіаційна акустика»

професора, доктора технічних наук Вадима Івановича Токарева

Засновник наукової школи «Авіаційна акустика»

 

Токарев Вадим Іванович, професор, доктор технічних наук, весь творчий шлях зв’язав з історією Національного авіаційного університету. В 1963 році, після закінчення Київського політехнічного інституту, він вступив в аспірантуру Київського інституту цивільного повітряного флоту на кафедру професора Мхітаряна Арташеса Мелконовича. Це був час впровадження в експлуатацію нових типів літаків з турбореактивними та турбогвинтовими двигунами, однією з проблем яких був високий рівень шуму. Аеродинамічні потоки, що утворюються в каналах двигунів, в струменях вихлопних газів, при обертанні гвинтів, вентиляторів та/чи сучасних гвинтовентиляторів, а також при обтіканні аеродинамічних поверхонь крила, фюзеляжа і шасі, є джерелами шуму. Проблема високих рівнів авіаційного шуму зумовила необхідність впровадження технічних нормативів до повітряних суден при зльоті/набиранні вистоти та при зниженні перед посадкою, а виконання нормативів забезпечувати на етапах проектування, розробки та виробництва повітряних суден, тобто перед ввведенням їх в експлуатацію. Крім того, проблема шуму існує і в пасажирських салонах та кабінах екіпажу, створюючи додаткові обмеження до умов комфорту пасажирів і умов праці членів екіпажу з наступними можливими несприятливими наслідками для безпеки польотів. Запроваджені державними стандартами нормативи шуму в кабінах і салонах повітряних суден також стимулювали неабиякий науковий інтерес до вивчення акустичних джерел. Зокрема в кабінах і салонах додатковим джерелом шуму є бортова система кондиціювання повітря (СКВ), вузли та агрегати якої як випромінюють, так і гасять водночас інтенсивність звукових хвиль. Зниження рівнів шуму літаків і вертольотів у цілому вимагає необхідність дослідження характеристик аеродинамічних джерел акустичного шуму, закономірностей його утворення та розповсюдження, засобів впливу на них з метою зменшення потужності випромінення чи гасіння інтенсивності звукових хвиль на шляху розповсюдження до точки контролю шуму. Ще у 1960-і роки стало зрозумілим, що для дослідження характеристик аеродинамічних джерел іакустичного шуму необхідно створювати акустичні камери, оснащені засобами створення аеродинамічних потоків, а експериментальні результати будуть необхідною складовою для побудови моделей і методик обгрунтування рівнів шуму вузлів, агрегатів та систем у цілому, в першу чергу на етапі проектування і розробки засобів авіаційної техніки. Перша акустична камера заглушеного типу була створена на прикінці 1960-х років, на її базі була проведена велика кількість експериментальних досліджень аеродинамічних акустичних джерел, характерних для реактивних двигунів того часу, а також для джерел шуму бортових СКВ літаків. Роботи виконувались у співпраці з Центральним аерогідродинамічним інститутом ім Жуковського (ЦАГИ) та Державним науково-дослідним інститутом цивільної авіації (ГосНИИ ГА), а основними споживачами результатів були авіаційні конструкторські бюро Туполева, Ільюшина, Яковлева, Антонова.

Наприкінці 1970-х, у звязку з будівництвом нового аеродинамічного комплексу Київського інституту інженерів цивільної авіації, був створений комплекс унікальних акустичних камер, який складається із заглушеної, великої ревербераційної та малих ревербераційних акустичних камер. Відразу камери були паспартизовані на виконання експериментальних вимірювань акустичних характеристик точним методом, тобто з найменшою похибкою вимірювань.

 

Заглушена акустична камера

 

Паспортизована до виконання досліджень характеристик шуму точним методом, загальний об’єм камери - 640 м3, корисний об’єм камери - 330 м3. Нижня частота вимірювання характеристик шуму 80 Гц. Камера встановлена на окремому фундаменті, є ізольованою від навколишнього середовища, тому акустичний фон в камері в діапазоні звукового спектру не перевищує 28 дБ.




Рисунок - Заглушена акустична камера НАУ

Велика ревербераційна акустична камера НАУ

Велика ревербераційна акустична камера

 

Паспортизована до виконання досліджень характеристик шуму точним методом, загальний об’єм камери - 173,7 м3. Нижня частота вимірювання характеристик шуму 125 Гц. Камера встановлена на окремому фундаменті, що ізолює її від приміщень корпусу і дозволяє виконувати експериментальні вимірювання протягом доби.

 

Малі ревербераційні акустичні камери

 

Паспортизовані до виконання досліджень характеристик шуму інженерним методом, загальний об’єм камер - 8,0 м3. Нижня частота вимірювання характеристик шуму 325 Гц. Камера високого тисску встановлена на окремому фундаменті стаціонарно. Камера низького тиску встановлена на шасі і може пересуватися уздовж колії довжиною 10 м. Вікно камер має розмір 1,0х1,0 м2.







Малі ревербераційні акустичні камери НАУ

В акустичних камерах НАУ дослідження характеристик джерел шуму та методів зниження шуму в джерелі утворення проводяться з кінця 60-х років. У 1987р. за ці  результати отримана 2 срібні та 3 бронзові медалі ВДНГ СРСР, а розроблені методи розрахунку авіаційного шуму докладались на комітеті з авіаційного шуму CAN/3 ІКАО вперше ще в 1977 р. 

У 1980-і роки актуальною постала проблема емісії авіаційних двигунів і забруднення амосферного повітря викидами забруднюючих речовин від авіадвигунів протягом злітно-посадкового циклу руху літаків в районі аеропортів. Досвід, отриманий у вирішенні проблеми авіаційного шуму на місцевості, був залучений до вирішення окремих задач забруднення повітря в районі аеропорту.

Основні  наукові досягнення школи  

У сфері емісії авіаційних двигунів результати дослідження впливу експлуатаційних факторів доволили удосконалити моделі утворення і викиду забруднювальних речовин, які покладені в нормативний документ: «Методика розрахунку викидів забруднюючих речовин від авіаційного транспорту» (У збірнику: “Методики розрахунку пересувними джерелами”, Київ, 2001). У листопаді 2000 р. окремі результати доповідались на засіданні робочої групи ANCAT/53 (експертна група Європейської конференції цивільної авіації по зменьшенню шкідливого впливу авіації на довкілля) і деякі з них включені в проект Керівництва з розрахунку емісії “Guidance Material on Emissions Calculations” (ECAC/ANCAT/Sub Group on Emissions Calculations, 2002), що використовується у Європейському Співтоваристві в процедурах інвентаризації викидів та визначення плати за забруднення атмосферного повітря авіаційним транспортом. В 1998р в Україні вперше розроблений Кадастр викиду тепличних газів, в тому числі для транспортного сектору результати отримані з використанням чинної методики. На основі даного кадастру Україна в 1999р. розробила звіт “Перше повідомлення Секретаріату Рамкової Конвенції ООН із зміни клімату”.

В останні часи на основі нових наукових результатів стосовно явищ утворення та розповсюдження шуму розроблені: “Методика розрахунку та прогнозування шуму вiд лiтакiв на мiсцевостi”, “Правила визначення зон обмеження житлової забудови навколо ае­ропортів із умов впливу авіаційного шуму" (1996); “Керівництво по розрахунку екранів для зниження шуму в аеропортах” (1997). В 1998р. розроблена комплексна програма забезпечення екологічної безпеки авіаційного транспорту, яка окремим розділом введена в “Основні напрями державної політики України в галузі охорони довкілля, використання природних ресурсів та забезпечення екологічної безпеки”, затверджені Верховною Радою в березні 1998 р.  

В розділі “Охорона навколишнього середовища” Генерального плану розвитку Києва до 2020р. велика частина програми робіт розроблена на основі пропозицій НАУ стосовно урегулювання шуму від літаків: правила зонування та визначення зон для аеропортів м. Києва (Бориспіль, Жуляни, Гостомель, “Антонов”, “Чайка”), запровадження системи акустичного моніторингу, інші заходи обмеження впливу авіаційного шуму.

В акустичних камерах виконується робота „Дослідження акустичних звукопоглинючих конструкцій і теплозвукоізоляційних матеріалів на інтерферометрі та в звукомірній ревербераційній камері”, результати якої запроваджені на літаках Ан-148 (2004р.), Ан-140 (2008р).
















Рисунок - Дослідження звукопоглинючих конструкцій в малих ревербераційних камерах НАУ та на інтерферометрі



















Рисунок - Дослідження бортової системи кондиціювання повітря літака в заглушеній камері НАУ

Центр екологічних проблем аеропортів


Науково-дослідний центр екологічних проблем аеропортів (ЦЕПА) створений у структурі  Національного авіаційного університету в 2006 р.. Діяльність ЦЕПА здійснюється в галузі сертифікації аеропорту чи окремо аеродрому відповідно до наказу Державіаслужби від 25.10.2005р. № 796 і Правил сертифікації цивільних аеродромів України (в якості експертного центру Державіаслужби України) в частині розробки та обгрунтування для них зон обмеження забудови з умов шуму та електромагнітного забруднення, санітарно-захисної зони з умов забруднення повітря викидами забруднювальних речовин і зон громадської безпеки з умов ризику третьої сторони, додержання вимог зазначених зон. 

Всі дослідження виконуються у відповідності з державними нормативними документами Державіаслужби, Міністерства охорони навколишнього середовища та Міністерства охорони здоров’я України. Нормативні документи з питань охорони довкілля від впливу авіації розроблені в НАУ відповідно до вимог Міжнародної організації цивільної авіації (ІСАО) та Європейської конференції цивільної авіації (ЕСАС). 

Міжнародне співробітництво в галузі дослідження характеристик авіаційного шуму сьогодні - це співпраця з Університетами Великобританії м. Халл, Манчестера та Оупен Університетом, Німеччини (Дрезденський технічний університет), Франції (Ліонська вища шкала та Інститут безпеки транспорту і довкілля, Ліон, авіаційні фірми Airbus,Тулуза, і Snecma Moteurs, Париж), Росії (ГосНИИГА, Центр экологической безопасности ГА, ЦАГИ, ЦИАМ)  та Польщі (Вроцлавська Політехніка).

В першу чергу діяльність виконується в рамках структур Європейської конференції цивільної авіації (ЕСАС), а саме в групі експертів зниження несприятливого впливу авіації (Group of Experts on the Abatement of Nuisances Caused by Air Transport - ANCAT). 3-4 липня 2001р. в Києві в НАУ відбулася перша нарада робочої групи ANCAT /ЕСАС - “Обговорення проектів нових стандартів ІКАО стосовно охорони навколишнього середовища від впливу авіаційного транспорту”.

Співробітники ЦЕПА є членами робочих груп ІСАО та ЕСАС з окремих питань охорони довкілля від впливу авіації - AIRMOD (Sub-Group on Aircraft Noise Modelling) та MITG (Modelling and interdependencies task group). Результатом цієї діяльності, зокрема, є 3-я редакція ECAC_Doc_29 «Метод олія розрахунку контурів шуму навколо аеропортів цивільної авіації» (том 1 - Керівництво користувача та том 2 - Технічне керівництво).

В жовтні 2009 р. проф., д.т.н. Запорожець О.І. за поданням Державіаадміністрації України номінований від України членом САЕР (Комітет з охорони довкілля від впливу цивільної авіації) ІСАО. В лютому 2010 р. на 8-му засіданні САЕР представлені 2 інформаційні матеріали: «Status Report On Balanced Approach In Ukraine» і «Status Report On Model Evaluation In Ukraine».

Міжнародне співробітництво в галузі дослідження характеристик авіаційного шуму в останні роки - це співпраця з Університетом м. Халл (Великобританія), в тому числі за грантом НАТО EST.CLG.974767 “Прогнозування шуму від літаків” та проект “Розробка засобів прогнозування авіаційного шуму” - співробітництво з фірмою SNECMA в рамковому проекті Европейського Союзу “Silence ®”.

Грант NATO EST.CLG.974767 був наданий для співробітництва з наукових досліджень в рамках теми “Прогнозування шуму від літаків” між Національним авіаційним університетом (професори О.І. Запорожець та В.І. Токарев) та Університетом міста Халл, Великобританія (професор К.Аттенборо). В результаті виконаних досліджень отримані та обгрунтовані нові моделі розповсюдження шуму від літаків в умовах різних типів покриття поверхні, що відбиває звукові хвилі уздовж шляху розповсюдження. Результати досліджень опубліковані в міжнародних та вітчизняних наукових журналах, в тому числі:

1) O.Zaporozhets, V. I.Tokarev Aircraft noise modelling for environmental assessment around  airports // Applied Acoustics, vol. 55, No 2 pp. 99-127 

2) O.Zaporozhets, V. I. Tokarev Predicted flight procedures for minimum noise impact // Applied Acoustics, vol. 55, No 2 pp. 129-143 

3) O.Zaporozhets, V. I. Tokarev K.Attenborough, Kai Ming Li Aircraft Noise Model Corrected by Operational and Propagation Effects // Journal Austica/Acta acustica,  vol/ 85, Jan/Feb 1999 p S139 

4) O.Zaporozhets, Main directions in improvement of aircraft noise calculation methods and noise zonning around the airports // Journal of VibroEngineering, No2, 2000 Vilnius, Lithuania p. 117-120 

Результати досліджень доповідались на ряді міжнародних конференцій, в тому числі:

1) Proceedings of 7 th International Congress on Sound and Vibration, 4 - 7 July 2000 Garmisch-Partenkirchen, Germany

2) Proceedings of Inter-Noise-2000, Int Conference, 25-28 August, 2000, Nice, France

3) I-st International Anniversary Conference BALTIC-ACOUSTIC 2000, 17-21 September 2000 Vilnius, Lithuania

4) 17th International Congress on Acoustics, Rome, 2001, September

5) The 2001 International Congress and Exhibition on Noise Control Engineering, The Hague, The Netherlands, 2001 August 27-30

 

Отримані результати сьогодні використовуються та вдосконалюються при виконанні проекту "Вдосконалення моделей прогнозування для обчислень контурів авіаційного шуму в частині ефектів встановлення двигунів і розповсюдження звуку в реальних експлуатаційних умовах" («Improving prediction models for noise footprint calculations in a part of sound propagation and installation effects in operating conditions», контракт із SNECMA Moteurs - COMMANDE 924 209692, 30.01.2002, Foumisseur 021683, що виконується в рамках міжнародного проекту Aviation Noise Project Silence®, головні координатори проекту SNECMA Moteurs та Airbus Industry, Франція). Результатом роботи є алгоритми і програмне забезпечення розрахунків рівнів шуму в контрольних точках процедур сертифікації літаків на відповідність вимогам по шуму на різних етапах проектування та експлуатації літаків та двигунів. Попередні результати роботи доповідались на симпозиумі "Майбутні  технології зниження авіаційного шуму" (Аркашон, Франція, 10-11 жовтня 2002 р.) та семінарі AERONET2/X2-Noise  "Авіаційний транспорт та проблеми довкілля" («Environmental Interdependencies In Air Transport», Женева, ІАТА, 10-11 лютого 2003р.)

Науковий проект доповнюється студентським науковим проектом між SNECMA Moteurs,  Ecole Centrale de Lyon та Національним авіаційним університетом "Розрахунок контурів шуму при зльоті та зниженні перед посадкою літаків". Результати досліджень студентами НАУ та Ліонської школи доповідались на семінарі на фірмі SNECMA Moteurs та на чотирьох наукових студентських конференціях, а також опубліковані в збірках наукових праць молоді. 

Співробітники ЦЕПА є експертами мережі фахівців Європейського Співтовариства з авіаційного шуму - XNoise. Виконується діяльність в рамках робочої групи: Регулювання впливу на навколишнє середовище проекту ЄЕС X2-NOISE "Стратегія розробки засобів оцінки та регулювання впливу шуму в рамках збалансованого підходу ІКАО та глобальної екологічної місткості навколишнього середовища", («Tool/Instruments development strategy to achieve evaluation and management of noise impact within the large frames of ICAO Balanced Approach and Global Environmental Capacity»), координатор групи - SNECMA Moteurs, Франція. В рамках проекту проведені два семінари за участю експертів та фахівців з проблеми довкілля  навколо аеропортів в Кракові (4-5 червня 2003р.) та в Києві (15-16 вересня 2003р.) та опитування фахівців з метою визначення програми забезпечення екологічної місткості аеропортів у найближчі 10-20 років.

Building on the foundations laid out by the successful activities of the X2-NOISE Thematic Network, (2001-2005) the X3-NOISE Coordination Action (2006-2009), through its network structure and comprehensive work-plan supported by experts groups, scientific workshops, stakeholders seminars and a common information system, will promote innovative approaches as well as complementarity with national programmes to address the challenges set by the ACARE 2020 Vision.

 

Наукові результати школи

 

Монографії

 

1. Снижение шума самолетов с реактивными двигателями //Под  ред. А.М.Мхитаряна  -М.: Машиностроение, 1975. - 264 с.

2. Квитка В.Е., Мельников Б.Н., Токарев В.И. Нормирование и снижение  шума  самолетов  и  вертолетов. -  К.:  Вища школа, 1980.- 208 с. 

3. Квитка В.Е., Мельников Б.Н., Токарев В.И. Гражданская авиация и охрана окружающей среды. -  К.:  Вища школа, 1984. - 136с.

4. Мельников Б.Н., Токарев В.И., Воротынцев В.М. Снижение шума бортовых систем кондиционирования воздуха самолетов. -  К.:  Вища школа, 1986. - 160с.

5. Токарев В.И., Мельников Б.Н., Тарасенко А.В., Кулагин Ю.Н. Руководство  по расчету факторов неблагоприятного воз­действия воздушных судов ГА на окружающую среду. М.: ГосНИИ­ГА, КИИГА, 1986. - 224 с.

6. Токарев В.И.,  Запорожец А.И.,  Страхолес В.В. Снижение шума при эксплуатации пассажирских самолетов. - Киев: Техника, 1990. - 127 с.

7. Безпека авіації / В.П.Бабак, В.П.Харченко, О.І. Запорожець, та інш. Під ред. В.П.Бабака. К.: Техніка, 2004. - 584 с.  

8. Энциклопедия безопасности авиации / М.С.Кулик, В.П.Харченко, Запорожець О.І., та інш. Під ред. М.С.Кулика. К.: Техніка, 2008. - 1000с. 

9. O. Zaporozhets, V. Tokarev, K. Attenborough. Aircraft noise. Assessment, prediction and control. Spon Press, Great Britain, 2011. 414 p.

 
Наукові конференції школи

1. Міжнародна науково-методична конференція „Безпека життя і діяльності людини БЖДЛ” (щорічна, загалом проведено 8 конференцій). 

2. „Політ”, секція „Авіаційний шум” (щорічно)

3. „АВІА”, секція „Екологічна безпека” (щорічно)

4. Авіаційний конгрес «Авіація ХХІ століття»: симпозіум «Охорона навколишнього середовища» та «Школа молодих вчених з питань Охорона довкілля від впливу авіації» (разом з мережею експертів ЄС з авіаційного шуму X3-NOISE, проведено 3 симпозіуми і одна школа)

5.5. Науковий семінар «Картографія, картосеміотика та екологічна безпека» (разом  з Міжнародною картографічною асоціацією ІСА і Дрезденським технічним університетом, щорічно, проведено 3 семінари)

 

Спеціалізовані вчені ради школи: Д.26.062.09 (відновлюється з квітня 2010 р., спеціальність 21.06.01 - екологічна безпека (технічні науки)) 

 

Під дахом наукової школи «Авіаційна акустика» підготовлені та захищені дисертації 2 докторів наук і 13 кандидатів наук.

 

Програмні продукти - результати наукових досліджень школи 


Програма NoBel

 З дрезденським технічним університетом виконуються дослідження «Розробка і виконання аналізу на основі моделі розрахунку втрат передавання просто вигнутих корпусів із анізотропних матеріалів, з урахуванням стохастичних збуджень» («Generation and implementation of an analytical based model for the calculation of the transmission loss of simply curved shells made from anisotropic materials considering stochastic excitation»), що є відповідає пріоритетному напрямку досліджень «Смарт-матеріали» 7-ої Рамкової Програми ЄС