航天器公路運輸環(huán)境包裝箱研制

王沖，喻虎，侯京鋒，劉永超，楊志鵬，李亞男

（1.北京強度環(huán)境研究所,北京 100076； 2.中國人民解放軍63602部隊，酒泉 732750）

引言

隨著我國綜合國力的增強，航天事業(yè)取得了巨大的進步，近年來，每年衛(wèi)星、飛船等航天器發(fā)射次數(shù)屢創(chuàng)新高，高密度發(fā)射已經(jīng)成為一種常態(tài)[1-3]。

針對航天發(fā)射高密度及應急航天發(fā)射需求增多現(xiàn)狀，為滿足航天器運輸、快速響應的實際需求[4,5]，改善航天器公路運輸環(huán)境，提高其運輸效率，避免裝卸過程的損傷，提出了一種用于衛(wèi)星等航天器公路運輸?shù)沫h(huán)境包裝箱，有效解決了當前航天器包裝箱公路運輸過程存在的環(huán)境惡劣、運輸效率低及裝卸不便等問題，滿足后續(xù)航天器及時快速響應發(fā)射需求。

同時，相關減振、環(huán)境包裝箱及監(jiān)測技術可搭載在其他軍民用精密設備運輸車輛上，比如，相關減振技術運用在高精密測試儀器、野戰(zhàn)醫(yī)療設備、彈藥、導彈運輸?shù)溶娒裼密囕v，能夠顯著提高設備的完好性、可靠性和環(huán)境適用性，具有良好的市場前景。

1 組成及性能指標

1.1 系統(tǒng)組成

為了滿足不同的運輸車輛使用要求，采用標準化、模塊化、集成化設計思路，環(huán)境包裝箱利用成熟的公路運輸集裝箱進行改造設計，運輸艙體采用主艙和動力艙兩艙式總體布局，主艙采用上下開合式組合結(jié)構(gòu)，其主要由運輸艙體、減振平臺及監(jiān)測系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

圖1 航天公路運輸環(huán)境包裝箱組成

減振平臺固定安裝在運輸環(huán)境包裝箱主艙內(nèi)部，航天器固定安裝在減振系統(tǒng)平臺上；運輸環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)各類傳感器分布在主艙內(nèi)外，其控制器、采集設備等集成在控制柜內(nèi)部，對運輸環(huán)境包裝箱主艙內(nèi)外溫度、濕度、加速度、車輛速度等環(huán)境參數(shù)以及減振系統(tǒng)運行狀態(tài)參數(shù)進行監(jiān)測。

1.2 運輸艙體

運輸艙體主體承載框架利用公路運輸集裝箱進行改造設計，采用主艙和動力艙兩艙式總體布局，總體外形尺寸為6 058 mm×3 000 mm×2 700 mm（長×寬×高），其主要由主艙、動力艙、軍用空調(diào)以及照明系統(tǒng)等附件組成，保證箱體內(nèi)部溫濕度達到性能要求，如圖2所示。

圖2 運輸艙體組成

主艙采用上下開合式結(jié)構(gòu)，集成化設計，采用集裝箱連接方式，內(nèi)部尺寸5 000 mm×2 750 mm×2 450 mm（長×寬×高）；艙體外部前端上方安裝有軍用空調(diào)，前端側(cè)面和后端面分別開有箱門，控制柜布置在主艙內(nèi)部前端中間位置。

動力艙采用箱式結(jié)構(gòu)，布置有通風百葉窗和艙門，內(nèi)部集成了發(fā)動機，為軍用空調(diào)和控制柜等提供動力。

主艙和動力艙共用的安裝底座內(nèi)部布置有走線管，方便動力艙內(nèi)的電源動力線纜和外部信號線纜直接進入主艙內(nèi)。

1.3 減振平臺

減振平臺采用四點吊擺式減振結(jié)構(gòu)，其減振座、承載平臺、縱向及橫向緩沖等組成，如圖3所示。

圖3 減振平臺組成

該減振座采用油氣減振器設計，為減少減振系統(tǒng)在運輸工作過程中產(chǎn)生的不必要的偏轉(zhuǎn)，將減振座組成與地板組成之間的結(jié)構(gòu)設計為四桿機構(gòu)組成的吊擺式結(jié)構(gòu)。經(jīng)過了減振座組成、縱向及橫向緩沖后，降低了傳遞到航天器的振動能量，防止振動沖擊對航天器產(chǎn)生損壞。

1.4 監(jiān)測系統(tǒng)

監(jiān)測系統(tǒng)由控制器、前端傳感器和交互設備組成，如圖4所示，其中，控制器與交互設備放置于運輸包裝箱內(nèi)的獨立控制柜中，前端傳感器主要分布于包裝箱內(nèi)，部分分布于包裝箱外，便于進行數(shù)據(jù)對比。控制器完成實時的數(shù)據(jù)采集與判讀比對、數(shù)據(jù)的實時顯示與后臺存儲，以及友好的人機交互。

傳感器的供電由控制器完成，控制柜供電由發(fā)電機組實現(xiàn)。人機交互通過觸摸屏實現(xiàn)，通過觸摸屏可實現(xiàn)系統(tǒng)的啟停、相關參數(shù)的設置、數(shù)據(jù)或曲線的實時顯示；通過接入駕駛室內(nèi)的報警顯示屏實現(xiàn)異常情況的警示等。

監(jiān)測系統(tǒng)的一個三向加速度分布于減振平臺上，另一個三向加速度放置于箱體主艙底座上表面；一個溫度、濕度傳感器布置于減振系統(tǒng)安裝支架上，用于監(jiān)測主艙內(nèi)部溫濕度狀況；另一個溫度、濕度傳感器布置于包裝箱外，用于監(jiān)測外部環(huán)境溫濕度狀況；剛度監(jiān)測傳感器處于主艙內(nèi)前后部；車速測點布置于包裝箱外，采用北斗導航的定位解算出當前車速。

2 性能檢測

針對航天器公路運輸包裝箱的溫濕度環(huán)境保持能力和減振性能在某地真實路段上進行測試（現(xiàn)場標準大氣：93 100 Pa ；環(huán)境溫度：27～30 ℃，濕度：9 %），測試以1 500 kg模擬負載情況開展。

2.1 測試準備

按照表1所述的性能指標要求，對航天器公路運輸包裝箱內(nèi)部溫、濕度和垂向沖擊加速度等基本性能指標進行現(xiàn)場檢測。

準備環(huán)境監(jiān)測儀（溫度量程：（-40～60）℃，精度：±1 ℃，濕度量程：0～100 %，精度：5 %（RH））4個，卷尺1個，加速度傳感器（量程：50 g頻響1～4 000 Hz）3個，數(shù)據(jù)采集器1個，萬用表1臺，其他附件及工具1套。

2.2 性能檢測

2.2.1 溫濕度檢測

采用環(huán)境監(jiān)測儀對設備進行溫濕度全程采集記錄，啟動空調(diào)，開始試驗，試驗完畢，讀取環(huán)境監(jiān)測儀所測數(shù)據(jù)，完成設備溫濕度測試。

選取運輸環(huán)境包裝箱內(nèi)部前、中、后3個測試點（圖5），并在選取位置放置環(huán)境監(jiān)測儀（型號：BISEEPR-S；溫度量程-40～60 ℃，濕度量程：0～100 %）。

圖5 環(huán)境監(jiān)測儀現(xiàn)場布置情況

在行駛速度不小于60 km/h（除駕駛操作失誤和不可預知路況外）的時間段內(nèi)，分別讀取4個時刻的溫濕度數(shù)據(jù)，若溫度滿足20±5 ℃，濕度滿足35～55 %RH，則滿足指標要求。實測結(jié)果見表2。

表2 模擬試驗件測試溫度、濕度統(tǒng)計表

2.2.2 垂直顛簸沖擊檢測

分別承載2種不同質(zhì)量的模擬試驗件進行測試，模擬試驗件質(zhì)量分別為100 kg和1 500 kg。采用數(shù)據(jù)采集器和加速度傳感器全程記錄減振前后的加速度值，啟動設備開始試驗，待試驗結(jié)束，讀取所測數(shù)據(jù)，完成垂直顛簸沖擊加速度測試。

選取運輸環(huán)境包裝箱內(nèi)部減振平臺上模擬試驗件附近和減振平臺下的箱體底板處，分別固定安裝加速度傳感器（型號：B&W 14530；量程50 g，頻響：1～4 000 Hz），如圖6所示。

圖6 加速度傳感器現(xiàn)場布置情況

在行駛速度不小于60 km/h時間段內(nèi)（除駕駛操作失誤和垂直沖擊大于2 g以上的情況外），選取5個加速度峰值點，若峰值點均不大于0.8 g，則滿足指標要求。實測結(jié)果見表3。

表3 模擬試驗件垂直顛簸沖擊統(tǒng)計表

2.2.3 檢測結(jié)果

根據(jù)對上述檢測情況進行歸納與總結(jié)，航天器公路運輸環(huán)境包裝箱內(nèi)部溫度為19.9～28.8 ℃，濕度為36.6～45.4 %，垂直顛簸沖擊加速度為0.43～0.72 g，3項基本性能指標均滿足設備技術性能指標要求。

3 結(jié)論

航天器公路運輸環(huán)境包裝箱采用兩艙式總體布局，及上下開合式艙體結(jié)構(gòu)，箱內(nèi)提供恒溫、恒濕環(huán)境；采用可變剛度和阻尼的油氣彈簧減振技術和四點吊桿擺式結(jié)構(gòu)，減振效果穩(wěn)定，有效降低垂向顛簸沖擊響應。

經(jīng)過檢測，航天器公路運輸環(huán)境包裝箱內(nèi)部溫度、濕度及垂直顛簸沖擊等3項基本性能指標均滿足設備技術性能指標要求。