小型航天精密儀器運輸包裝箱設計及試驗

孫福佳，楊明，陳然，陳娟芳，張永琴

小型航天精密儀器運輸包裝箱設計及試驗

孫福佳，楊明，陳然，陳娟芳，張永琴

（天津航天機電設備研究所，天津 300458）

針對傳統小型航天精密儀器鋁制運輸包裝箱加工周期長、研制成本高、定制化產品多導致外形尺寸大小不一致，存在不易管理和運輸的問題，設計一種新型包裝箱。通過選擇新型箱體材料、設計包裝箱箱體結構、更改加工工藝形式、改變產品安裝方式和內部防護減振材料，自主研發一種適用于商業運輸的非金屬精密儀器運輸包裝箱。經過模擬嚴苛商業環境運輸試驗，該小型航天精密儀器運輸包裝箱可實現一箱多裝，對產品具有隔振、防潮防護等功能，且節約成本、縮短研制周期，便于管理、易于運輸。該包裝箱可滿足小型航天精密儀器的運輸和貯存，其結構形式及試驗結果可為后續此類包裝箱的研制提供參考。

航天精密儀器；運輸包裝箱；設計；試驗

小型航天精密儀器在運輸及貯存過程中，一般對振動沖擊、溫度、濕度、防靜電等環境條件有一定要求[1]，因此需要設計一個具有防塵、防雨、防靜電、緩沖隔振、恒溫、恒濕等功能的包裝容器用于小型精密儀器的運輸及貯存。

傳統小型航天精密儀器包裝箱多采用鋁合金材質，根據所裝產品的尺寸及形狀，單獨定制包裝箱及內部產品固定接口。導致每次運輸時，會有多個不同尺寸的小包裝箱一起運輸，不僅浪費運輸工具空間，還不易管理和運輸固定。為了滿足小型航天精密儀器的運輸和貯存，并優化傳統精密儀器箱的結構形式，通過調研分析并結合用戶需求，設計一款非金屬箱體和非金屬減振材料相結合的包裝箱，全面突破傳統包裝箱金屬材料的形象，其適用于星上中小型設備的運輸，具備防靜電、抗高溫、抗沖擊、質量輕、易運輸、研制周期短，成本低等特點[2]。基于某型號任務，產品需通過商業飛機由國內運輸至國外，模擬商業運輸的嚴苛環境開展了一系列試驗驗證，試驗結果證明其功能、性能安全可靠，并成功完成某型號的運輸工作。

1 包裝箱結構設計

1.1 箱體設計

小型航天精密儀器運輸包裝箱（以下簡稱包裝箱）設計需考慮兼容性高、操作簡單、輕便便攜、成本低、研制周期短、安全可靠等因素。

該包裝箱材料選擇線性低密度聚乙烯（LLDPE），采用滾塑工藝一體成型。使用滾塑工藝制作的包裝箱質量小、堅固經久耐用、維護成本低；密封性能良好，具有較好的防塵、防雨、防沙塵、防污染、防鹽霧和防霉菌等功能；研制周期短、成本低，適合批量生產[3]。材質性能穩定，無揮發性，具有較好的環境適應性；箱子結構強度好，輕便便攜[4]。非金屬材料包裝箱由于其材料的特性，具備可重復使用的特點，可提高使用效率。

箱體由箱蓋、箱底兩部分構成，箱蓋、箱底間有密封圈，通過蝴蝶搭扣進行閉合壓緊，有防雨、防塵功能（圖1）。包裝箱外型尺寸為901 mm（長）×752 mm（寬）×615 mm（高），質量約15 kg，該包裝箱尺寸具有一定的兼容性，可滿足不同型號小型產品的運輸[5]。箱體是一體成型的凹凸肋條結構，具有足夠強度。箱蓋兩側設計4個與箱體一體式的把手，方便箱蓋開合、搬運。箱底設置4個軍用級搬運把手，可用于箱體搬運、起吊及運輸時固定。包裝箱底部設置叉車槽，可進行叉車搬運。箱蓋箱底設置碼垛接口，滿足多層碼垛運輸。為防止運輸過程中由于箱內外壓強的變化導致箱體因內外壓差較大而變形或損壞，包裝箱側壁設置螺紋式防水、防塵透氣閥，保證箱內、外氣壓平衡。包裝箱箱體具有防靜電功能，箱體表面電阻率可達到108～109Ω，體積電阻率可達到109～1010Ω·m，可滿足精密儀器的防靜電要求。

1.箱蓋；2.提手&吊點；3.箱底；4.防水透氣閥；5.蝶形搭扣。

1.2 防護隔振設計

小型航天精密儀器具有數量多，尺寸多樣、形狀復雜等特點，為了充分利用包裝箱內部空間，使包裝箱具有一定的兼容性，選用防靜電高密度發泡手撕海綿填充包裝箱（圖2）。

防靜電手撕海綿可根據產品形狀隨意手撕成型，然后將產品放進手撕出來的形狀內固定。手撕海綿選擇格子的規格為15 mm×15 mm，單張海綿厚度為25 mm，每臺包裝箱內可放置15層海綿。手撕海綿具有高強緩沖和抗震能力，其手感細膩，具有較強的回彈性，除起到一般海綿的緩沖減振作用外，還具有防靜電作用，可對敏感器件起到有效防護[6-9]。手撕海綿是一種環保型材料，保溫、防潮、抗老化、抗腐蝕，且防靜電海綿采購周期短、易操作，可根據產品的形狀安裝固定產品，對精密儀器可起到很好的隔振和防護作用。防靜電手撕海綿可有效解決小型精密儀器產品數量多、種類雜的裝箱難題。

1.3 產品安裝固定

根據產品大小尺寸的不同，包裝箱內部設計2種固定方式，一種為單層固定，另一種為雙層固定。產品裝箱時以“高度相近產品裝在同一包裝箱，單層裝箱產品質量要均勻，雙層裝箱遵循下重上輕、下大上小”的原則設計產品裝箱方案。

1）單層固定。內部為單層結構的包裝箱用于放置尺寸較大的產品。由于包裝箱底部為凹凸不平的結構，為了給防護海綿提供一個平面，在包裝箱底部放置一層10 mm的PE海綿，PE海綿材質較硬，可有效彌補不平的箱底，PE海綿頂部再放置防護海綿，然后根據產品的尺寸直接將防護海綿撕成產品的形狀，最后將產品放置在已成型的防護海綿內即可。

2）雙層固定。內部為雙層結構的包裝箱用于放置尺寸較小的產品。為防止運輸途中由于沖擊較大導致上、下層產品之間發生碰撞，兩層產品之間放置一層5 mm的塑料板和10 mm的PE板，塑料板兩端各設置一條環形布帶作為提手，用于整體拿出上層產品，PE板質地較硬，可起到減緩壓強的作用。

圖2 箱內防護海綿

3）裝箱清單設計。由于每臺包裝箱內放置多種產品，為了快速方便地找到所需產品，在包裝箱箱蓋內部及箱體外側側壁均設置裝箱清單，裝箱清單設計為標簽式，防潮防水、易更換。裝箱清單內容包含產品位置、產品代號、產品名稱和產品數量，并注明相關人員的聯系方式，方便查找，簡單明了，便于操作人員查看。

2 試驗驗證

以某型號航天精密儀器從中國運輸到國外為背景，包裝箱會通過公路、空運2種運輸方式轉運到國外，廠房內通過叉車進行轉運。經過與用戶方溝通，包裝箱在公路運輸過程中會有專人護送運輸，到達機場后則交給機場人員負責轉運及裝機，因此機場轉運及裝機過程為不可控路段，此試驗用于模擬商業飛機轉運途中可能經歷的較為嚴苛的運輸、轉運狀況，因此根據用戶方提出的研制要求開展了模擬公路運輸試驗[10-11]、模擬運輸過程中的跌落試驗[12]、碼垛強度驗證試驗、高低溫存儲試驗和濕度控制試驗，進一步評估方案的可行性，并為后續此類產品設計提供經驗。

2.1 公路跑車試驗

公路跑車試驗選用一量卡車，檢測設備使用DH5902動態信號采集分析系統，包裝箱分2種狀態放置于車廂前端部。一種為2臺包裝箱并排放置，另一種為2臺包裝箱碼垛放置，通過栓緊帶將包裝箱固定在車廂上，隨機選擇3種不同精密儀器模擬件，在其特定的裝箱狀態下進行試驗，見圖3。

1）試驗條件。試驗選用2臺包裝箱，其中1號包裝箱內安裝2件較小模擬件，2號包裝箱內安裝1件較大模擬件。1號箱內1件模擬件頂部中心和底部中心位置各布置1個傳感器，2號箱內在模擬件底部中心位置布置1個傳感器。

2）試驗過程。跑車試驗路線分別包括三級公路、二級公路、高速公路、減速帶。共試驗2種裝車狀態，每種狀態跑車路線及速度相同。第1種狀態是2臺包裝箱并列平放于運輸車車廂前端；第2種狀態是2臺包裝箱疊放在一起固定于運輸車車廂前端。

3）試驗結果。試驗過程中最大加速度為2臺箱子并列放置運輸，并在高速公路剎車時，加速度值為4.18；最小加速度值為2臺箱子碼垛運輸，并在高速公路剎車時，加速度值為1.1（表1和表2）。

圖3 包裝箱跑車試驗

表1 2臺箱子并列放置跑車數據

Tab.1 Data for two boxes placed side by side in running truck

表2 2臺箱子碼垛放置（1號在上、2號在下）跑車數據

Tab.2 Data for two boxes stacked (1# up and 2# down) in running truck

2.2 跌落試驗

跌落試驗參照GB/T 4857.5—1992《包裝運輸包裝件跌落試驗方法》開展。試驗設備使用法國SEREME（1 500 kg）脫落吊鉤試驗機，開展跌落試驗；通過使用2 t叉車叉包裝箱模擬在廠房內通過叉車轉運的工況。

試驗繼續使用1號箱和2號箱，增加3號箱，3號箱內安裝1件模擬件，傳感器布置于模擬件底部中心位置，開展跌落試驗（圖4）。

試驗要求如下。

1）執行垂向、棱邊（長邊）跌落各5次，跌落高度為25 mm。

2）執行垂向、棱邊（長邊）跌落各5次，跌落高度為50 mm。

3）利用叉車抬起包裝箱（單個包裝箱）到600 mm高度，以正常操作停放到地面上，該種操作5次。

4）利用叉車抬起包裝箱（單個箱）到600 mm高度，以最快降落速度的操作方式將包裝箱停放到地面上，該種試驗5次。

5）兩層碼垛狀態執行狀態見圖4。

試驗結果如下。

2種跌落試驗測試后，包裝箱未發生任何破損和變形。跌落機跌落時，3種配重分別執行25、50 mm面跌落和棱邊跌落，以及2臺包裝箱碼垛一起進行面跌落和棱跌落，此試驗過程中平均加速度最大值為7.94，最小值為2.74，試驗結果見表3和表4。叉車跌落時，3種配重分別執行600 mm快速降落和慢速降落，以及2臺包裝箱碼垛一起快速、慢速降落，試驗過程中：3種配重分別單獨快速降落，平均加速度最大值為4.25，最小值為2.25；3種配重分別單獨慢速降落，平均加速度值均小于0.5；1號箱在上、2號箱在下碼垛快速降落時，平均加速度值最大為1號箱的1.24，最小值為2號箱的0.76；1號箱在上、2號箱在下碼垛慢速降落時，平均加速度值最大為1號箱的0.76，最小值為2號箱的0.29。

2.3 碼垛強度驗證試驗

包裝箱在運輸過程中為了節省空間，存在碼垛運輸的工況。為了充分驗證包裝箱箱體的強度，開展包裝箱碼垛強度驗證試驗。

經了解，包裝箱在運輸時最多會存在3層碼垛的工況，因此，此次試驗隨機選取3臺包裝箱開展試驗。試驗配重以包裝箱內所裝產品的最重情況為參考，選取配重塊單塊質量為35 kg，試驗過程如下。

將3塊35 kg配重塊分別放置于3臺包裝箱內，合箱，扣緊搭扣。將第1臺包裝箱放置于平坦地面上，將第2臺包裝箱放置于第1臺之上，再將第3臺包裝箱放置于第2臺之上，2臺包裝箱擺放整齊、平穩，靜置2 h。

圖4 跌落試驗現場

表3 跌落機跌落試驗數據

Tab.3 Test data from drop tester

表4 叉車跌落試驗數據

Tab.4 Drop test data from forklift truck

試驗結果：2 h后將包裝箱打開，經觀察3臺包裝箱箱體均無任何破損和永久變形。

2.4 高低溫試驗

包裝箱本體材料為線性低密度聚乙烯[13-14]，為了充分驗證材料的抗高、低溫性能，依據GB/T 4857.2—2005《包裝運輸包裝件基本試驗第2部分：溫濕度調節處理》將包裝箱分別開展低溫和高溫試驗[15]。試驗前，將2臺包裝箱在常溫環境下靜置24 h后，然后分別放入高低溫濕熱試驗箱（SDJ625A）內。低溫試驗溫度設置為?45 ℃，試驗時間為8 h；高溫試驗溫度設置為55 ℃，試驗時間為8 h。

試驗后對包裝箱表面及其金屬件進行檢查，結果顯示包裝箱表面及其金屬件表面均無任何破損和永久變形。

2.5 控濕能力驗證試驗

包裝箱箱蓋和箱底間設計有一條密封圈，合箱后通過合箱搭扣壓緊密封圈，使包裝箱具有防塵防雨的功能。由于包裝箱無主動控濕功能，因此要想使包裝箱內保持一定的濕度來滿足精密儀器的貯存要求，包裝箱內需放入一定干燥劑來控制箱內濕度。包裝箱箱體由滾塑工藝一體成型，箱體本身不會進入水或水蒸氣，唯一可能存在縫隙會進入水蒸氣的地方只有箱蓋、箱底合箱的法蘭處。另箱體側壁設置有一防水透氣閥，主要用于平衡箱內外氣壓，此處也有可能進入少量水蒸氣，因此選擇合箱法蘭處和透氣閥處作為放置干燥劑的地方。此試驗主要用于檢驗包裝箱內放置干燥劑的量對包裝箱內濕度的的影響，為后續包裝箱使用提供參考。

1）試驗條件。試驗設備依然使用“高低溫濕熱試驗箱（SDJ625A）”，繼續選擇1號箱和2號箱開展試驗。試驗前，1號箱內放置5包干燥劑（50 g/包），分別放置于合箱法蘭四周和透氣閥處。2號箱內放入10包干燥劑（50 g/包），擺放位置與1號箱相同，但數量增加1倍。1號箱和2號箱內各放置2臺溫濕度表，1號、2號溫濕度表放置于1號箱內，3號、4號溫濕度表放置于2號箱內。試驗前將2臺包裝箱放置于常溫環境24 h后，扣緊箱蓋，再放入恒溫（32 ℃）、恒濕（相對濕度為96%）的環境中，持續試驗7 d。

2）試驗結果。試驗完成后，將每臺包裝箱內的溫濕度表取出，通過專用軟件將溫濕度表內試驗數據導出并整理：由于1號溫濕度表試驗過程中電池電量不足，導致試驗數據紊亂，試驗數據不作為參考；試驗結果證明，包裝箱在使用時，放置干燥劑對控制濕度有顯著效果；針對本體積包裝箱，分散放置500 g干燥劑即可將箱內相對濕度控制在40%以內。試驗結果見圖5—8。

經分析2號溫濕度表顯示相對濕度最大值為63.4%，溫度最大值為31.4 ℃。

圖5 2號箱溫濕度表數據

經分析3號溫濕度圖顯示相對濕度最大值為31.6%，溫度最大值為31 ℃。

圖6 3號溫濕度表數據

經分析4號溫濕度表顯示濕度最大值為34.9%，溫度最大值為30.9 ℃。

圖7 4號溫濕度表數據

圖8 2、3、4號溫濕度表數據匯總

2.6 小結

經過以上試驗可以看出，包裝箱碼垛強度、抗高低溫性能和控濕能力均可滿足精密儀器的使用要求。針對跑車試驗和跌落試驗，該精密儀器要求經包裝箱隔振后傳到產品上的最大加速度值不大于3，包裝箱經過公路跑車試驗和跌落試驗驗證后，試驗結果大部分滿足技術要求，但部分結果存在超差情況，經過與用戶方一起分析試驗數據，認為包裝箱的減振性能可以滿足產品使用，部分超差項可作為禁止運輸工況對運輸方提出運輸要求。

3 結語

小型航天精密儀器包裝箱箱體材質及內部防護材料均選用了異于傳統形式的非金屬材料。與以往傳統包裝箱相比，此包裝箱在方便標準化管理、提升產品形象、提高產品防護能力等方面效果明顯，且成本低、研制周期短、兼容性高、簡易便攜，可解決小型精密儀器數量多、種類雜的裝箱難題。經過試驗驗證，可看出此形式包裝箱適用于小型航天精密儀器的運輸和貯存。此外，此類包裝箱還可以應用于航空、航海領域裝備配套，部隊后勤、科學探測、影視器材等領域也可應用，市場前景非常廣闊。

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Design and Experiment of Distribution Packaging Box for Small-sized Aerospace Precision Instrument

SUN Fu-jia, YANG Ming, CHEN Ran, CHEN Juan-fang, ZHANG Yong-qin

(Tianjin Institute of Aerospace Mechanical and Electrical Equipment, Tianjin 300458, China)

The work aims to design a new type of packaging box in view of the long processing cycle, high development cost and inconsistent dimensions and difficult management and transportation caused by many customized products of the traditional aluminum distribution packaging box for small-sized aerospace precision instrument. A non-metallic precision instrument distribution packaging box suitable for commercial transportation was designed by selecting new box materials, designing the box structure, altering the form of processing technology, changing the way of product installation and internal protective damping materials. Through the simulation test on harsh commercial transportation, the small-sized aerospace precision instrument distribution packaging box could realize multiple packing in one box, had the functions of vibration isolation, moisture protection, etc. and saved the cost, shortened the development cycle, and was easy to manage and transport. The packaging box can meet the transportation and storage of small-sized aerospace precision instrument, and its structure and test results can provide reference for the subsequent development of this kind of packaging box.

aerospace precision instrument; distribution packaging box; design; experiment

TB485.3

A

1001-3563(2022)23-0259-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.23.031

2022–04–18

孫福佳（1991—），女，本科，工程師，主要研究方向為航天器包裝運輸防護。

責任編輯：曾鈺嬋