肖 刚，郝文宇，张国芬，丛 飞

（1. 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094；2. 山西航天机电设备研究所，山西 030800）

0 概述

航天器的运输方式一般有公路运输、铁路运输、空中运输3种形式。由于受到道路桥梁的限制，公路和铁路运输方式难以实现大型航天器的整体运输，运输周期较长，环境条件较为恶劣。采用空中运输方式不仅可以显著缩短运输时间和改善运输环境，而且由于航天器的整体运输，可以减少发射场检查与装调环节，有利于保持航天器的出厂状态，可以缩短发射场操作周期。为此，需要研制空运包装箱，在包装箱研制过程中既要考虑运输飞机的货舱空间尺寸要求，又要满足航天器的运输环境条件。图1是某型号航天器应用新研制的空运包装箱。下面重点介绍空运包装箱的研制和试验情况。

图1 空运包装箱外观图Fig. 1 An air transport container

1 航天器运输

1.1 航天器运输方式

1）公路运输

公路运输需采用特种公路运输车，一般由专用车头、牵引“元宝形”后托板或平式后托板、金属包装容器等组成[1]。航天器在运输过程中对包装箱内环境的温湿度有一定的要求，还需要往包装箱内充放气体。在运输过程中还需要进行一些检查记录。因此，运输车不仅要提供包装箱的固定装置，还应配置有电源、充放气连接管路和记录仪器等。

2）铁路运输

航天器的铁路运输需采用特种装备的火车，一般由专列平板车或闷罐车厢、金属包装容器等组成[1]。铁路运输环境条件与公路运输基本相同。

3）空中运输

航天器运输需采用大型运输机，如AN-124、伊尔76等大型运输机，包装箱在装机中应有导轨支架等辅助工装[1]。飞机上应配装专用固定装置。为了监控箱内环境数据，需要给测试仪器设备供电。

1.2 运输方式比较

航天器3种运输方式的振动数据见表1。

表1 运输过程中振动记录数据Table 1 The vibration data during the transport

结合某型号航天器对铁路运输振动峰值的测量结果，其振动峰值与均方根值均大于公路、空中运输，而且在整个铁路运输过程中，振动峰值一直维持在较高的水平；而空中运输的最恶劣工况（即飞机降落过载）仅维持数min。

2 空运包装箱的研制

包装箱作为航天器的空中运输容器，在运输过程中应满足航天器运输环境条件要求如下[2]：

1）包装箱内部环境要求密封；

2）包装箱应带有与航天器匹配的适配器环，并能提供减振、温湿度与空气质量控制等辅助设施；

3）能够通过氮气置换的手段进行空气压力调节（提供正压）；

4）能够通过对氮气的加热或制冷来调节容器内的理想温度；

5）有可调整的减振垫圈。

2.1 特点

1）通用性

考虑到某型号航天器平台构型成熟稳定，与工装接口基本统一，空运包装箱应具备适应工装通用化的需要，并满足某型号系列航天器的运输要求。

2）可操作性

改善操作手段，提高使用性能，可采用目前较先进的零部件、机构件设计，体现工装操作准、快、稳的特点。包装箱箱罩、箱底的连接操作采用搭扣连接，以替代以前螺栓连接的方式，这种连接操作简单方便，且满足包装箱的气密性能要求。

3）可监控性

在借鉴以往航天器包装箱的研制经验基础上，考虑完善各项环境监控指标，包括对振动、气密、温湿度、压力、尘埃颗粒、漏雨等环境因素的监控。考虑到往飞机货舱吊装时的安全，可配置导向的监控措施。

4）兼容性

空运包装箱的设计不仅能够与航天器相容，还要满足与运输车、飞机货舱的匹配兼容。

2.2 难点

空运包装箱设计的难点在于箱体的结构尺寸设计，在整个设计体系中占有重要地位，是包装设计的基础[3]。包装箱的内部尺寸必须要能容纳航天器并保证星与箱体有安全间隙，同时还要受到运输载体的限制，所以合理布局至关重要。

包装箱外形一般为长方体，主要由箱罩和箱底两部分组成，见图2。在进行宽度及长度方向的适应性设计时，应考虑适应飞机舱门及吊点要求。

图2 包装箱的箱罩和箱底Fig. 2 The case and bottom of the air transport container

2.3 箱底设计

包装箱箱底是航天器的主承力结构，主要为由支承结构、加强环、底板、法兰等组焊而成的框架组件。支承结构一般采用刚性梁焊接而成，即由一个井字型主结构梁与许多小梁焊接而成，再在支撑结构上面覆盖一层蒙皮以及减振板。为了满足洁净度要求，材料均采用防锈铝。在箱底骨架间分别填充泡沫板，之后用玻璃钢封闭，实现箱底的被动保温，并为包装箱提供一个底平面与飞机连接。

另外，箱底还应考虑设置起吊吊点。箱底板上还需设置干燥剂箱、工具箱、配件箱、轴流风机等。

2.4 箱罩设计

箱罩顶部宽度方向为了适应飞机运输需要截角，长度方向两端为了避开飞机起吊装置也需要切角。

箱壁采用双层结构，内蒙皮采用铝板与骨架焊接构成气密、防雨的腔体，外蒙皮采用铝板与箱罩骨架铆接，中间填充聚苯乙烯泡沫板，并用玻璃钢板将外蒙皮与箱罩骨架隔开以避免传热。骨架4个侧面和顶面均由方管组焊而成。

箱罩侧面设置4个自身起吊吊点，4个角设置用于公路、飞机运输的固定点。端面下部设有一对充、放气口，以供充、放气的需要。箱罩后端面安有温湿度表和压力表，用以实时显示、观察箱内温度、湿度和压力。箱罩前端面设有空调系统。

2.5 减振系统

减振系统的作用是避免运输过程中对航天器造成的冲击损伤。包装箱采用内减振方式，增加减振系统后没有在高度上增加箱体尺寸。

减振器选用不锈钢丝绳减振器，根据航天器的质量、质心、固有频率，通过计算来确定适当的减振器。减振器的频率应避开航天器的固有频率，以免发生共振。为了提高包装箱减振效果和减小航天器运输时的摆动，减振器安装采用45°方式放置，见图3。

为了有效地监测减振效果，采用两种监测方式：一种是在支架和箱底板上安装冲击振动记录仪，分别监测减振前和减振后的冲击振动情况；另一种是通过包装箱监控系统进行实时监测。

图3 包装箱减振系统Fig. 3 The shock absorption system of the air transport container

2.6 空调系统

空调系统的功能是对包装箱进行温湿度控制，保证箱内温湿度满足要求。

为了抗振动和冲击，该系统选用2台车载分体式冷暖空调，其中1台为备份[4]。所选用的空调具有以下优点：一是具有记忆功能，即断电后能重新启动，并能根据温度高低自动启动与停止；二是具有低温启动的功能；三是整体抗冲击、抗振动性能优于家用空调；四是将控制面板移至箱壁外面，面板上设置有温度显示、温度调节、指示灯等按钮，更直观方便。

2台空调均装于箱体前端面。为了满足蓄电池部位的温控要求，将空调的送风机置于箱罩端面上部，直吹航天器温度敏感区，见图4。

空调产生的冷凝水通过过滤器直接排出箱外。空调开启时，随时观察水位并拧动下端螺钉将水及时放掉，满足箱内湿度要求。

图4 包装箱空调系统局部Fig. 4 The air-conditioning system of air transport container

2.7 监控系统

空运包装箱的监控系统为了适应公路运输监测和空运监测需要，采用全新监控方式，即通过笔记本在汽车驾驶舱或者飞机货舱内某部位可以直接实现监控功能。空运包装箱的监控系统如图5所示。

这种监控方式更为直观、便捷、精确，功能也更加细化。主要特点如下：

1）可以实现温度、湿度、压力参数的数据记录、数据报表、历史曲线回放，报警提示、报警查询，直观地反映系统的工作状态和参数的变化过程；

2）能够直观地对减振前后的振动情况进行实时曲线显示；

3）能够实现对车载空调的远程参数设置和运行控制以及对风机进行单独开关控制；

4）具备报表和曲线打印、历史数据备份、历史数据恢复、数据清空等数据管理功能；

5）利用组态软件的开发平台开发良好的人机界面，使得操作更加简洁、明了、人性化；

6）系统采用底层分散采集、集中管理、网络传输的构架；

7）采用工业自动化组态测控软件，完成整个测控系统的各个参数的数据采集、显示以及记录，并根据设置的上、下限值，发出报警信号。

图5 空运包装箱监控系统Fig. 5 The monitor panel of the air transport container

3 包装箱运输试验

为考核新研制空运包装箱的各项指标与运载能力，进行了包装箱的空运试验。

3.1 试验条件

为固化航天器出厂技术状态，改善航天器大部件运输环境条件，缩短运输周期，简化基地装配的业务流程，某型号航天器至发射基地的运输试验采用“公路运输＋飞机运输”方式。

由于下述原因，本次试验比后续的航天器运输条件要求更为恶劣。

1）发射场所的公路运输天候选为最高温度时段，即8月初的下午14时左右；

2）由于试验期间新建道路的部分封锁，运输路线选择路况较差、里程较长的老路进行试验；

3）试验时航天器在飞机运输时采用了4次起飞、4次降落：①～研制地区飞往发射地区；②～发射地区飞往研制地区；③～飞机起飞后返回原地；④～飞机飞往过渡机场加油。而正式的航天器飞机运输只需要1次起飞、1次降落。

3.2 试验结果

空运试验的目的是验证包装箱各项指标，具体试验测试结果如下。

3.2.1 振动冲击

1）振动集中在10～30 Hz较窄频段范围内，冲击峰值一般在 10 Hz以内，对航天器影响有限；

2）飞机运输在起飞和降落过程不属于随机振动，短时间内的冲击能量较大。降落冲击大于起飞工况，但由于传递过程的能量损失，冲击对卫星上加速度响应不大；

3）运输过程中的测量结果与振动要求比较接近，包装箱内实测数据与力学环境要求见表2与表3。

表2 公路运输振动加速度要求与实测数据（适配器）Table 2 The vibration acceleration data of the road transport (adapter)

表3 空中运输振动加速度要求与实测数据（适配器）Table 3 The vibration acceleration data of the air transport (adapter)

3.2.2 温湿度监测

航天器在包装箱内的温度要求为：航天器上蓄电池处温度低于20 ℃；箱内最高温度低于25 ℃。湿度要求为低于60%。

包装箱经历2 h左右的公路运输与3 h左右的飞机运输，其温湿度监测结果为：

1）在空调控温的条件下，包装箱内温度及蓄电池温度均满足要求，见图6(a)；

2）飞行状态下，机内温度环境及包装箱控温能力可以保证飞行期间的温度要求（无空调工作），见图6(b)。

图6 温湿度监测Fig. 6 The measurement results of the temperature and humidity

3.2.3 压力监测

对于航天器的压力监测：除空运外，始终维持箱内压力高于外界。箱壁刚度还要考虑箱内能承受3 kPa的内外压差。空运时应有迅速气压平衡孔，此孔有过滤功能。除有压力控制装置外，还应有实时压力显示设备。

根据试验测试结果来看，航天器运输至基地期间各处环境压力变化较大，超过包装箱设计能力3 kPa承压的要求。在公路运输期间进行了实时监测并充放气；飞机运输期间，打开气压平衡孔以保证箱内外的压力平衡。整个运输过程，压力实时监测，且根据监测到的数据采取了相应措施，保障了航天器的运输安全。

表4中记录了包装箱内气压值，图7反映了空运时气压变化曲线。

表4 包装箱内压力情况Table 4 The measurement data of the air pressure in the container

图7 飞往基地压力变化曲线Fig. 7 The air-pressure vs time curve in the air transport to the launch base

3.3 试验评价

本次试验的环境条件较正式运输条件要求更为恶劣，达到了充分考核的目的。在试验中，空运包装箱保障了航天器的安全，航天器运输中所受到的振动环境、温湿度环境与压力环境均满足要求。

4 结束语

空运包装箱在结构设计上克服了尺寸设计困难。为了保障运输过程中环境条件要求，对各种辅助功能系统进行了合理设计。从试验测试结果来看，空运包装箱满足公路运输、空中运输的各项指标要求。可以说，在航天器运输过程中，包装箱的结构形式、功能特点、可靠性都起到了保障航天器的运输安全作用。

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[1] 王利平. 大型航天器地面支持设备解决方案研究[G].中国空间技术研究院情报研究文集, 2008

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

[3] 赵丽娟. 包装结构设计中尺寸设计的探讨[J]. 包装工程, 2000, 21(4): 13-14

[4] 路阳. 特种空调系统研制[J]. 制冷与空调, 2004(4): 2-25