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)
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)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。
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。
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。
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。
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
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。
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)。
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
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
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
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。
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。
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
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。
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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[1] 王利平. 大型航天器地面支持設(shè)備解決方案研究[G].中國空間技術(shù)研究院情報研究文集, 2008
[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