肖 剛，郝文宇，張國芬，叢 飛

（1. 北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094；2. 山西航天機電設(shè)備研究所，山西 030800）

0 概述

航天器的運輸方式一般有公路運輸、鐵路運輸、空中運輸3種形式。由于受到道路橋梁的限制，公路和鐵路運輸方式難以實現(xiàn)大型航天器的整體運輸，運輸周期較長，環(huán)境條件較為惡劣。采用空中運輸方式不僅可以顯著縮短運輸時間和改善運輸環(huán)境，而且由于航天器的整體運輸，可以減少發(fā)射場檢查與裝調(diào)環(huán)節(jié)，有利于保持航天器的出廠狀態(tài)，可以縮短發(fā)射場操作周期。為此，需要研制空運包裝箱，在包裝箱研制過程中既要考慮運輸飛機的貨艙空間尺寸要求，又要滿足航天器的運輸環(huán)境條件。圖1是某型號航天器應(yīng)用新研制的空運包裝箱。下面重點介紹空運包裝箱的研制和試驗情況。

圖1 空運包裝箱外觀圖Fig. 1 An air transport container

1 航天器運輸

1.1 航天器運輸方式

1）公路運輸

公路運輸需采用特種公路運輸車，一般由專用車頭、牽引“元寶形”后托板或平式后托板、金屬包裝容器等組成[1]。航天器在運輸過程中對包裝箱內(nèi)環(huán)境的溫濕度有一定的要求，還需要往包裝箱內(nèi)充放氣體。在運輸過程中還需要進(jìn)行一些檢查記錄。因此，運輸車不僅要提供包裝箱的固定裝置，還應(yīng)配置有電源、充放氣連接管路和記錄儀器等。

2）鐵路運輸

航天器的鐵路運輸需采用特種裝備的火車，一般由專列平板車或悶罐車廂、金屬包裝容器等組成[1]。鐵路運輸環(huán)境條件與公路運輸基本相同。

3）空中運輸

航天器運輸需采用大型運輸機，如AN-124、伊爾76等大型運輸機，包裝箱在裝機中應(yīng)有導(dǎo)軌支架等輔助工裝[1]。飛機上應(yīng)配裝專用固定裝置。為了監(jiān)控箱內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)，需要給測試儀器設(shè)備供電。

1.2 運輸方式比較

航天器3種運輸方式的振動數(shù)據(jù)見表1。

表1 運輸過程中振動記錄數(shù)據(jù)Table 1 The vibration data during the transport

結(jié)合某型號航天器對鐵路運輸振動峰值的測量結(jié)果，其振動峰值與均方根值均大于公路、空中運輸，而且在整個鐵路運輸過程中，振動峰值一直維持在較高的水平；而空中運輸?shù)淖類毫庸r（即飛機降落過載）僅維持?jǐn)?shù)min。

2 空運包裝箱的研制

包裝箱作為航天器的空中運輸容器，在運輸過程中應(yīng)滿足航天器運輸環(huán)境條件要求如下[2]：

1）包裝箱內(nèi)部環(huán)境要求密封；

2）包裝箱應(yīng)帶有與航天器匹配的適配器環(huán)，并能提供減振、溫濕度與空氣質(zhì)量控制等輔助設(shè)施；

3）能夠通過氮氣置換的手段進(jìn)行空氣壓力調(diào)節(jié)（提供正壓）；

4）能夠通過對氮氣的加熱或制冷來調(diào)節(jié)容器內(nèi)的理想溫度；

5）有可調(diào)整的減振墊圈。

2.1 特點

1）通用性

考慮到某型號航天器平臺構(gòu)型成熟穩(wěn)定，與工裝接口基本統(tǒng)一，空運包裝箱應(yīng)具備適應(yīng)工裝通用化的需要，并滿足某型號系列航天器的運輸要求。

2）可操作性

改善操作手段，提高使用性能，可采用目前較先進(jìn)的零部件、機構(gòu)件設(shè)計，體現(xiàn)工裝操作準(zhǔn)、快、穩(wěn)的特點。包裝箱箱罩、箱底的連接操作采用搭扣連接，以替代以前螺栓連接的方式，這種連接操作簡單方便，且滿足包裝箱的氣密性能要求。

3）可監(jiān)控性

在借鑒以往航天器包裝箱的研制經(jīng)驗基礎(chǔ)上，考慮完善各項環(huán)境監(jiān)控指標(biāo)，包括對振動、氣密、溫濕度、壓力、塵埃顆粒、漏雨等環(huán)境因素的監(jiān)控?？紤]到往飛機貨艙吊裝時的安全，可配置導(dǎo)向的監(jiān)控措施。

4）兼容性

空運包裝箱的設(shè)計不僅能夠與航天器相容，還要滿足與運輸車、飛機貨艙的匹配兼容。

2.2 難點

空運包裝箱設(shè)計的難點在于箱體的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計，在整個設(shè)計體系中占有重要地位，是包裝設(shè)計的基礎(chǔ)[3]。包裝箱的內(nèi)部尺寸必須要能容納航天器并保證星與箱體有安全間隙，同時還要受到運輸載體的限制，所以合理布局至關(guān)重要。

包裝箱外形一般為長方體，主要由箱罩和箱底兩部分組成，見圖2。在進(jìn)行寬度及長度方向的適應(yīng)性設(shè)計時，應(yīng)考慮適應(yīng)飛機艙門及吊點要求。

圖2 包裝箱的箱罩和箱底Fig. 2 The case and bottom of the air transport container

2.3 箱底設(shè)計

包裝箱箱底是航天器的主承力結(jié)構(gòu)，主要為由支承結(jié)構(gòu)、加強環(huán)、底板、法蘭等組焊而成的框架組件。支承結(jié)構(gòu)一般采用剛性梁焊接而成，即由一個井字型主結(jié)構(gòu)梁與許多小梁焊接而成，再在支撐結(jié)構(gòu)上面覆蓋一層蒙皮以及減振板。為了滿足潔凈度要求，材料均采用防銹鋁。在箱底骨架間分別填充泡沫板，之后用玻璃鋼封閉，實現(xiàn)箱底的被動保溫，并為包裝箱提供一個底平面與飛機連接。

另外，箱底還應(yīng)考慮設(shè)置起吊吊點。箱底板上還需設(shè)置干燥劑箱、工具箱、配件箱、軸流風(fēng)機等。

2.4 箱罩設(shè)計

箱罩頂部寬度方向為了適應(yīng)飛機運輸需要截角，長度方向兩端為了避開飛機起吊裝置也需要切角。

箱壁采用雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)蒙皮采用鋁板與骨架焊接構(gòu)成氣密、防雨的腔體，外蒙皮采用鋁板與箱罩骨架鉚接，中間填充聚苯乙烯泡沫板，并用玻璃鋼板將外蒙皮與箱罩骨架隔開以避免傳熱。骨架4個側(cè)面和頂面均由方管組焊而成。

箱罩側(cè)面設(shè)置4個自身起吊吊點，4個角設(shè)置用于公路、飛機運輸?shù)墓潭c。端面下部設(shè)有一對充、放氣口，以供充、放氣的需要。箱罩后端面安有溫濕度表和壓力表，用以實時顯示、觀察箱內(nèi)溫度、濕度和壓力。箱罩前端面設(shè)有空調(diào)系統(tǒng)。

2.5 減振系統(tǒng)

減振系統(tǒng)的作用是避免運輸過程中對航天器造成的沖擊損傷。包裝箱采用內(nèi)減振方式，增加減振系統(tǒng)后沒有在高度上增加箱體尺寸。

減振器選用不銹鋼絲繩減振器，根據(jù)航天器的質(zhì)量、質(zhì)心、固有頻率，通過計算來確定適當(dāng)?shù)臏p振器。減振器的頻率應(yīng)避開航天器的固有頻率，以免發(fā)生共振。為了提高包裝箱減振效果和減小航天器運輸時的擺動，減振器安裝采用45°方式放置，見圖3。

為了有效地監(jiān)測減振效果，采用兩種監(jiān)測方式：一種是在支架和箱底板上安裝沖擊振動記錄儀，分別監(jiān)測減振前和減振后的沖擊振動情況；另一種是通過包裝箱監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)測。

圖3 包裝箱減振系統(tǒng)Fig. 3 The shock absorption system of the air transport container

2.6 空調(diào)系統(tǒng)

空調(diào)系統(tǒng)的功能是對包裝箱進(jìn)行溫濕度控制，保證箱內(nèi)溫濕度滿足要求。

為了抗振動和沖擊，該系統(tǒng)選用2臺車載分體式冷暖空調(diào)，其中1臺為備份[4]。所選用的空調(diào)具有以下優(yōu)點：一是具有記憶功能，即斷電后能重新啟動，并能根據(jù)溫度高低自動啟動與停止；二是具有低溫啟動的功能；三是整體抗沖擊、抗振動性能優(yōu)于家用空調(diào)；四是將控制面板移至箱壁外面，面板上設(shè)置有溫度顯示、溫度調(diào)節(jié)、指示燈等按鈕，更直觀方便。

2臺空調(diào)均裝于箱體前端面。為了滿足蓄電池部位的溫控要求，將空調(diào)的送風(fēng)機置于箱罩端面上部，直吹航天器溫度敏感區(qū)，見圖4。

空調(diào)產(chǎn)生的冷凝水通過過濾器直接排出箱外?？照{(diào)開啟時，隨時觀察水位并擰動下端螺釘將水及時放掉，滿足箱內(nèi)濕度要求。

圖4 包裝箱空調(diào)系統(tǒng)局部Fig. 4 The air-conditioning system of air transport container

2.7 監(jiān)控系統(tǒng)

空運包裝箱的監(jiān)控系統(tǒng)為了適應(yīng)公路運輸監(jiān)測和空運監(jiān)測需要，采用全新監(jiān)控方式，即通過筆記本在汽車駕駛艙或者飛機貨艙內(nèi)某部位可以直接實現(xiàn)監(jiān)控功能。空運包裝箱的監(jiān)控系統(tǒng)如圖5所示。

這種監(jiān)控方式更為直觀、便捷、精確，功能也更加細(xì)化。主要特點如下：

1）可以實現(xiàn)溫度、濕度、壓力參數(shù)的數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)報表、歷史曲線回放，報警提示、報警查詢，直觀地反映系統(tǒng)的工作狀態(tài)和參數(shù)的變化過程；

2）能夠直觀地對減振前后的振動情況進(jìn)行實時曲線顯示；

3）能夠?qū)崿F(xiàn)對車載空調(diào)的遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置和運行控制以及對風(fēng)機進(jìn)行單獨開關(guān)控制；

4）具備報表和曲線打印、歷史數(shù)據(jù)備份、歷史數(shù)據(jù)恢復(fù)、數(shù)據(jù)清空等數(shù)據(jù)管理功能；

5）利用組態(tài)軟件的開發(fā)平臺開發(fā)良好的人機界面，使得操作更加簡潔、明了、人性化；

6）系統(tǒng)采用底層分散采集、集中管理、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臉?gòu)架；

7）采用工業(yè)自動化組態(tài)測控軟件，完成整個測控系統(tǒng)的各個參數(shù)的數(shù)據(jù)采集、顯示以及記錄，并根據(jù)設(shè)置的上、下限值，發(fā)出報警信號。

圖5 空運包裝箱監(jiān)控系統(tǒng)Fig. 5 The monitor panel of the air transport container

3 包裝箱運輸試驗

為考核新研制空運包裝箱的各項指標(biāo)與運載能力，進(jìn)行了包裝箱的空運試驗。

3.1 試驗條件

為固化航天器出廠技術(shù)狀態(tài)，改善航天器大部件運輸環(huán)境條件，縮短運輸周期，簡化基地裝配的業(yè)務(wù)流程，某型號航天器至發(fā)射基地的運輸試驗采用“公路運輸＋飛機運輸”方式。

由于下述原因，本次試驗比后續(xù)的航天器運輸條件要求更為惡劣。

1）發(fā)射場所的公路運輸天候選為最高溫度時段，即8月初的下午14時左右；

2）由于試驗期間新建道路的部分封鎖，運輸路線選擇路況較差、里程較長的老路進(jìn)行試驗；

3）試驗時航天器在飛機運輸時采用了4次起飛、4次降落：①～研制地區(qū)飛往發(fā)射地區(qū)；②～發(fā)射地區(qū)飛往研制地區(qū)；③～飛機起飛后返回原地；④～飛機飛往過渡機場加油。而正式的航天器飛機運輸只需要1次起飛、1次降落。

3.2 試驗結(jié)果

空運試驗的目的是驗證包裝箱各項指標(biāo)，具體試驗測試結(jié)果如下。

3.2.1 振動沖擊

1）振動集中在10～30 Hz較窄頻段范圍內(nèi)，沖擊峰值一般在 10 Hz以內(nèi)，對航天器影響有限；

2）飛機運輸在起飛和降落過程不屬于隨機振動，短時間內(nèi)的沖擊能量較大。降落沖擊大于起飛工況，但由于傳遞過程的能量損失，沖擊對衛(wèi)星上加速度響應(yīng)不大；

3）運輸過程中的測量結(jié)果與振動要求比較接近，包裝箱內(nèi)實測數(shù)據(jù)與力學(xué)環(huán)境要求見表2與表3。

表2 公路運輸振動加速度要求與實測數(shù)據(jù)（適配器）Table 2 The vibration acceleration data of the road transport (adapter)

表3 空中運輸振動加速度要求與實測數(shù)據(jù)（適配器）Table 3 The vibration acceleration data of the air transport (adapter)

3.2.2 溫濕度監(jiān)測

航天器在包裝箱內(nèi)的溫度要求為：航天器上蓄電池處溫度低于20 ℃；箱內(nèi)最高溫度低于25 ℃。濕度要求為低于60%。

包裝箱經(jīng)歷2 h左右的公路運輸與3 h左右的飛機運輸，其溫濕度監(jiān)測結(jié)果為：

1）在空調(diào)控溫的條件下，包裝箱內(nèi)溫度及蓄電池溫度均滿足要求，見圖6(a)；

2）飛行狀態(tài)下，機內(nèi)溫度環(huán)境及包裝箱控溫能力可以保證飛行期間的溫度要求（無空調(diào)工作），見圖6(b)。

圖6 溫濕度監(jiān)測Fig. 6 The measurement results of the temperature and humidity

3.2.3 壓力監(jiān)測

對于航天器的壓力監(jiān)測：除空運外，始終維持箱內(nèi)壓力高于外界。箱壁剛度還要考慮箱內(nèi)能承受3 kPa的內(nèi)外壓差?？者\時應(yīng)有迅速氣壓平衡孔，此孔有過濾功能。除有壓力控制裝置外，還應(yīng)有實時壓力顯示設(shè)備。

根據(jù)試驗測試結(jié)果來看，航天器運輸至基地期間各處環(huán)境壓力變化較大，超過包裝箱設(shè)計能力3 kPa承壓的要求。在公路運輸期間進(jìn)行了實時監(jiān)測并充放氣；飛機運輸期間，打開氣壓平衡孔以保證箱內(nèi)外的壓力平衡。整個運輸過程，壓力實時監(jiān)測，且根據(jù)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)采取了相應(yīng)措施，保障了航天器的運輸安全。

表4中記錄了包裝箱內(nèi)氣壓值，圖7反映了空運時氣壓變化曲線。

表4 包裝箱內(nèi)壓力情況Table 4 The measurement data of the air pressure in the container

圖7 飛往基地壓力變化曲線Fig. 7 The air-pressure vs time curve in the air transport to the launch base

3.3 試驗評價

本次試驗的環(huán)境條件較正式運輸條件要求更為惡劣，達(dá)到了充分考核的目的。在試驗中，空運包裝箱保障了航天器的安全，航天器運輸中所受到的振動環(huán)境、溫濕度環(huán)境與壓力環(huán)境均滿足要求。

4 結(jié)束語

空運包裝箱在結(jié)構(gòu)設(shè)計上克服了尺寸設(shè)計困難。為了保障運輸過程中環(huán)境條件要求，對各種輔助功能系統(tǒng)進(jìn)行了合理設(shè)計。從試驗測試結(jié)果來看，空運包裝箱滿足公路運輸、空中運輸?shù)母黜椫笜?biāo)要求?？梢哉f，在航天器運輸過程中，包裝箱的結(jié)構(gòu)形式、功能特點、可靠性都起到了保障航天器的運輸安全作用。

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[2] Steven Buckley. Modular transport container for satellite: United States, Patent US 6237795 B1[P]. 2001

[3] 趙麗娟. 包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計中尺寸設(shè)計的探討[J]. 包裝工程, 2000, 21(4): 13-14

[4] 路陽. 特種空調(diào)系統(tǒng)研制[J]. 制冷與空調(diào), 2004(4): 2-25