航天器空運(yùn)包裝箱的研制及其運(yùn)輸試驗(yàn)評(píng)價(jià)

肖 剛，郝文宇，張國(guó)芬，叢 飛

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

0 概述

航天器的運(yùn)輸方式一般有公路運(yùn)輸、鐵路運(yùn)輸、空中運(yùn)輸3種形式。由于受到道路橋梁的限制，公路和鐵路運(yùn)輸方式難以實(shí)現(xiàn)大型航天器的整體運(yùn)輸，運(yùn)輸周期較長(zhǎng)，環(huán)境條件較為惡劣。采用空中運(yùn)輸方式不僅可以顯著縮短運(yùn)輸時(shí)間和改善運(yùn)輸環(huán)境，而且由于航天器的整體運(yùn)輸，可以減少發(fā)射場(chǎng)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(chǎng)操作周期。為此，需要研制空運(yùn)包裝箱，在包裝箱研制過(guò)程中既要考慮運(yùn)輸飛機(jī)的貨艙空間尺寸要求，又要滿足航天器的運(yùn)輸環(huán)境條件。圖1是某型號(hào)航天器應(yīng)用新研制的空運(yùn)包裝箱。下面重點(diǎn)介紹空運(yùn)包裝箱的研制和試驗(yàn)情況。

圖1 空運(yùn)包裝箱外觀圖Fig. 1 An air transport container

1 航天器運(yùn)輸

1.1 航天器運(yùn)輸方式

1）公路運(yùn)輸

公路運(yùn)輸需采用特種公路運(yùn)輸車(chē)，一般由專(zhuān)用車(chē)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(yùn)輸過(guò)程中對(duì)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(yùn)輸過(guò)程中還需要進(jìn)行一些檢查記錄。因此，運(yùn)輸車(chē)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(yùn)輸

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

3）空中運(yùn)輸

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

1.2 運(yùn)輸方式比較

航天器3種運(yùn)輸方式的振動(dòng)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 運(yùn)輸過(guò)程中振動(dòng)記錄數(shù)據(jù)Table 1 The vibration data during the transport

結(jié)合某型號(hào)航天器對(duì)鐵路運(yùn)輸振動(dòng)峰值的測(cè)量結(jié)果，其振動(dòng)峰值與均方根值均大于公路、空中運(yùn)輸，而且在整個(gè)鐵路運(yùn)輸過(guò)程中，振動(dòng)峰值一直維持在較高的水平；而空中運(yùn)輸?shù)淖類(lèi)毫庸r（即飛機(jī)降落過(guò)載）僅維持?jǐn)?shù)min。

2 空運(yùn)包裝箱的研制

包裝箱作為航天器的空中運(yùn)輸容器，在運(yùn)輸過(guò)程中應(yīng)滿足航天器運(yùn)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(guò)氮?dú)庵脫Q的手段進(jìn)行空氣壓力調(diào)節(jié)（提供正壓）；

4）能夠通過(guò)對(duì)氮?dú)獾募訜峄蛑评鋪?lái)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(diǎn)

1）通用性

考慮到某型號(hào)航天器平臺(tái)構(gòu)型成熟穩(wěn)定，與工裝接口基本統(tǒng)一，空運(yùn)包裝箱應(yīng)具備適應(yīng)工裝通用化的需要，并滿足某型號(hào)系列航天器的運(yùn)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(jī)構(gòu)件設(shè)計(jì)，體現(xiàn)工裝操作準(zhǔn)、快、穩(wěn)的特點(diǎn)。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(jiǎn)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(yàn)基礎(chǔ)上，考慮完善各項(xiàng)環(huán)境監(jiān)控指標(biāo)，包括對(duì)振動(dòng)、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(jī)貨艙吊裝時(shí)的安全，可配置導(dǎo)向的監(jiān)控措施。

4）兼容性

空運(yùn)包裝箱的設(shè)計(jì)不僅能夠與航天器相容，還要滿足與運(yùn)輸車(chē)、飛機(jī)貨艙的匹配兼容。

2.2 難點(diǎn)

空運(yùn)包裝箱設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于箱體的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)，在整個(gè)設(shè)計(jì)體系中占有重要地位，是包裝設(shè)計(jì)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(shí)還要受到運(yùn)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(zhǎng)方體，主要由箱罩和箱底兩部分組成，見(jiàn)圖2。在進(jìn)行寬度及長(zhǎng)度方向的適應(yīng)性設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮適應(yīng)飛機(jī)艙門(mén)及吊點(diǎn)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(jì)

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(qiáng)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(gè)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(shí)現(xiàn)箱底的被動(dòng)保溫，并為包裝箱提供一個(gè)底平面與飛機(jī)連接。

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

2.4 箱罩設(shè)計(jì)

箱罩頂部寬度方向?yàn)榱诉m應(yīng)飛機(jī)運(yùn)輸需要截角，長(zhǎng)度方向兩端為了避開(kāi)飛機(jī)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(kāi)以避免傳熱。骨架4個(gè)側(cè)面和頂面均由方管組焊而成。

箱罩側(cè)面設(shè)置4個(gè)自身起吊吊點(diǎn)，4個(gè)角設(shè)置用于公路、飛機(jī)運(yùn)輸?shù)墓潭c(diǎn)。端面下部設(shè)有一對(duì)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(shí)時(shí)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(yùn)輸過(guò)程中對(duì)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(méi)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(guò)計(jì)算來(lái)確定適當(dāng)?shù)臏p振器。減振器的頻率應(yīng)避開(kāi)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(yùn)輸時(shí)的擺動(dòng)，減振器安裝采用45°方式放置，見(jiàn)圖3。

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

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(duì)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(dòng)和沖擊，該系統(tǒng)選用2臺(tái)車(chē)載分體式冷暖空調(diào)，其中1臺(tái)為備份[4]。所選用的空調(diào)具有以下優(yōu)點(diǎn)：一是具有記憶功能，即斷電后能重新啟動(dòng)，并能根據(jù)溫度高低自動(dòng)啟動(dòng)與停止；二是具有低溫啟動(dòng)的功能；三是整體抗沖擊、抗振動(dòng)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(tái)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(jī)置于箱罩端面上部，直吹航天器溫度敏感區(qū)，見(jiàn)圖4。

空調(diào)產(chǎn)生的冷凝水通過(guò)過(guò)濾器直接排出箱外。空調(diào)開(kāi)啟時(shí)，隨時(shí)觀察水位并擰動(dòng)下端螺釘將水及時(shí)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(yùn)包裝箱的監(jiān)控系統(tǒng)為了適應(yīng)公路運(yùn)輸監(jiān)測(cè)和空運(yùn)監(jiān)測(cè)需要，采用全新監(jiān)控方式，即通過(guò)筆記本在汽車(chē)駕駛艙或者飛機(jī)貨艙內(nèi)某部位可以直接實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能?？者\(yùn)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(diǎn)如下：

1）可以實(shí)現(xiàn)溫度、濕度、壓力參數(shù)的數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)報(bào)表、歷史曲線回放，報(bào)警提示、報(bào)警查詢(xún)，直觀地反映系統(tǒng)的工作狀態(tài)和參數(shù)的變化過(guò)程；

2）能夠直觀地對(duì)減振前后的振動(dòng)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)曲線顯示；

3）能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)車(chē)載空調(diào)的遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置和運(yùn)行控制以及對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行單獨(dú)開(kāi)關(guān)控制；

4）具備報(bào)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(kāi)發(fā)平臺(tái)開(kāi)發(fā)良好的人機(jī)界面，使得操作更加簡(jiǎn)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(dòng)化組態(tài)測(cè)控軟件，完成整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)的各個(gè)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(bào)警信號(hào)。

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

3 包裝箱運(yùn)輸試驗(yàn)

為考核新研制空運(yùn)包裝箱的各項(xiàng)指標(biāo)與運(yùn)載能力，進(jìn)行了包裝箱的空運(yùn)試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)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(yùn)輸環(huán)境條件，縮短運(yùn)輸周期，簡(jiǎn)化基地裝配的業(yè)務(wù)流程，某型號(hào)航天器至發(fā)射基地的運(yùn)輸試驗(yàn)采用“公路運(yùn)輸＋飛機(jī)運(yùn)輸”方式。

由于下述原因，本次試驗(yàn)比后續(xù)的航天器運(yùn)輸條件要求更為惡劣。

1）發(fā)射場(chǎng)所的公路運(yùn)輸天候選為最高溫度時(shí)段，即8月初的下午14時(shí)左右；

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

3）試驗(yàn)時(shí)航天器在飛機(jī)運(yùn)輸時(shí)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(jī)起飛后返回原地；④～飛機(jī)飛往過(guò)渡機(jī)場(chǎng)加油。而正式的航天器飛機(jī)運(yùn)輸只需要1次起飛、1次降落。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

空運(yùn)試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證包裝箱各項(xiàng)指標(biāo)，具體試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如下。

3.2.1 振動(dòng)沖擊

1）振動(dòng)集中在10～30 Hz較窄頻段范圍內(nèi)，沖擊峰值一般在 10 Hz以?xún)?nèi)，對(duì)航天器影響有限；

2）飛機(jī)運(yùn)輸在起飛和降落過(guò)程不屬于隨機(jī)振動(dòng)，短時(shí)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(guò)程的能量損失，沖擊對(duì)衛(wèi)星上加速度響應(yīng)不大；

3）運(yùn)輸過(guò)程中的測(cè)量結(jié)果與振動(dòng)要求比較接近，包裝箱內(nèi)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與力學(xué)環(huán)境要求見(jiàn)表2與表3。

表2 公路運(yùn)輸振動(dòng)加速度要求與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（適配器）Table 2 The vibration acceleration data of the road transport (adapter)

表3 空中運(yùn)輸振動(dòng)加速度要求與實(shí)測(cè)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(cè)

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(yùn)輸與3 h左右的飛機(jī)運(yùn)輸，其溫濕度監(jiān)測(cè)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(jiàn)圖6(a)；

2）飛行狀態(tài)下，機(jī)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(wú)空調(diào)工作），見(jiàn)圖6(b)。

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

3.2.3 壓力監(jiān)測(cè)

對(duì)于航天器的壓力監(jiān)測(cè)：除空運(yùn)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\(yùn)時(shí)應(yīng)有迅速氣壓平衡孔，此孔有過(guò)濾功能。除有壓力控制裝置外，還應(yīng)有實(shí)時(shí)壓力顯示設(shè)備。

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果來(lái)看，航天器運(yùn)輸至基地期間各處環(huán)境壓力變化較大，超過(guò)包裝箱設(shè)計(jì)能力3 kPa承壓的要求。在公路運(yùn)輸期間進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并充放氣；飛機(jī)運(yùn)輸期間，打開(kāi)氣壓平衡孔以保證箱內(nèi)外的壓力平衡。整個(gè)運(yùn)輸過(guò)程，壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，且根據(jù)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)采取了相應(yīng)措施，保障了航天器的運(yùn)輸安全。

表4中記錄了包裝箱內(nèi)氣壓值，圖7反映了空運(yùn)時(shí)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(yàn)評(píng)價(jià)

本次試驗(yàn)的環(huán)境條件較正式運(yùn)輸條件要求更為惡劣，達(dá)到了充分考核的目的。在試驗(yàn)中，空運(yùn)包裝箱保障了航天器的安全，航天器運(yùn)輸中所受到的振動(dòng)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(yǔ)

空運(yùn)包裝箱在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上克服了尺寸設(shè)計(jì)困難。為了保障運(yùn)輸過(guò)程中環(huán)境條件要求，對(duì)各種輔助功能系統(tǒng)進(jìn)行了合理設(shè)計(jì)。從試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果來(lái)看，空運(yùn)包裝箱滿足公路運(yùn)輸、空中運(yùn)輸?shù)母黜?xiàng)指標(biāo)要求。可以說(shuō)，在航天器運(yùn)輸過(guò)程中，包裝箱的結(jié)構(gòu)形式、功能特點(diǎn)、可靠性都起到了保障航天器的運(yùn)輸安全作用。

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

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