批量化衛(wèi)星儲運(yùn)一體化包裝箱的設(shè)計(jì)

□ 韓美燕 □ 許 寧 □ 楊斌元 □ 于 鵬

天津航天機(jī)電設(shè)備研究所 天津 300458

1 設(shè)計(jì)背景

航天衛(wèi)星搭載了大量高精度、高靈敏度的科學(xué)儀器,對于環(huán)境靈敏度高。因此,在衛(wèi)星地面總裝、電測、試驗(yàn)階段要求,廠房具備特定的溫濕度、潔凈度等環(huán)境條件。衛(wèi)星研制完成后需要由研發(fā)產(chǎn)業(yè)基地運(yùn)輸?shù)桨l(fā)射場,就需要配套專用的包裝設(shè)備為衛(wèi)星持續(xù)提供適宜的儲運(yùn)環(huán)境。

近年來國內(nèi)外商業(yè)航天活動迅速發(fā)展,低軌通信衛(wèi)星系統(tǒng)的建設(shè)可為軍、民、商各類用戶提供支持智能終端的移動通信,以及互聯(lián)、物聯(lián)數(shù)據(jù)服務(wù)。國內(nèi)多家企業(yè)紛紛推出了自己的商業(yè)衛(wèi)星批量化生產(chǎn)計(jì)劃,部分公司已發(fā)射了數(shù)顆衛(wèi)星。

批量化衛(wèi)星包裝箱是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星儲運(yùn)的專用設(shè)備,能夠?yàn)樾l(wèi)星提供減振、隔沖、恒溫、恒濕、恒壓、保潔、防塵、防雨、防靜電等環(huán)境條件,并且包裝箱具備連接固定、行走、吊裝、緊固等功能,能夠適應(yīng)衛(wèi)星儲運(yùn)環(huán)節(jié)所涉及的安裝、廠房內(nèi)移動、運(yùn)輸緊固等使用需求。

2 系統(tǒng)組成及布局

批量化衛(wèi)星包裝箱由主體結(jié)構(gòu)、牽拉系統(tǒng)、減振系統(tǒng)、升降行走系統(tǒng)、測控系統(tǒng)等組成。箱體是包裝箱各功能部件的安裝載體,箱體為氣密性結(jié)構(gòu),能夠?yàn)樾l(wèi)星提供防塵、防雨、高潔凈度的儲運(yùn)環(huán)境。牽拉系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星與包裝箱的緊固安裝,連接平臺組件上可預(yù)留多組衛(wèi)星接口,適應(yīng)多種規(guī)格衛(wèi)星安裝,增強(qiáng)設(shè)備通用性。減振系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)包裝箱運(yùn)輸過程中減振、隔沖功能。行走系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)包裝箱短距離移動功能。測控系統(tǒng)用于溫濕度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)等的綜合閉環(huán)控制,并能夠?qū)崿F(xiàn)對包裝箱內(nèi)部溫度、濕度、壓力、運(yùn)輸經(jīng)緯度、海拔等數(shù)據(jù)的采集記錄。通過遠(yuǎn)程診斷功能,測控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)包裝箱儲運(yùn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸及故障聯(lián)動報(bào)警。批量化衛(wèi)星包裝箱系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

▲圖1 批量化衛(wèi)星包裝箱系統(tǒng)組成框圖

批量化衛(wèi)星包裝箱箱體設(shè)計(jì)為側(cè)開門結(jié)構(gòu),箱門與箱體通過合頁、搭扣連接。箱內(nèi)接口組件位于箱體內(nèi)部,減振系統(tǒng)安裝于包裝箱箱體與底架之間,升降行走系統(tǒng)位于底架四角,測控系統(tǒng)硬件設(shè)備集中安裝于箱體一端便于線路布局。批量化衛(wèi)星包裝箱整體布局如圖2所示。

▲圖2 批量化衛(wèi)星包裝箱整體布局

3 牽拉系統(tǒng)

與傳統(tǒng)衛(wèi)星相比,批量化衛(wèi)星具有低成本、短周期、大批量等突出特點(diǎn)。為適應(yīng)批量化衛(wèi)星生產(chǎn)模式,批量化衛(wèi)星包裝箱采用牽拉系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星連接平臺從箱門處自動牽拉進(jìn)入箱內(nèi)、牽拉出箱功能,衛(wèi)星裝拆全過程均不涉及吊裝操作,衛(wèi)星裝箱方式更加高效、便捷。牽拉系統(tǒng)由衛(wèi)星連接平臺、連接平臺裝箱導(dǎo)軌、卷揚(yáng)機(jī)、滑輪組、固定座等組成,如圖3所示。

衛(wèi)星連接平臺上部為衛(wèi)星接口,設(shè)計(jì)過程中充分考慮接口的通用性、兼容性,預(yù)留多組接口安裝孔和連接座,連接座一端與衛(wèi)星接口匹配,另一端為連接架通用接口,不同規(guī)格的批產(chǎn)衛(wèi)星可通過匹配連接座與連接平臺安裝固定。衛(wèi)星連接平臺前后端面安裝鋼絲牽拉點(diǎn)和螺接固定座,兩側(cè)面分別安裝兩個(gè)導(dǎo)軌輪。

包裝箱箱體底部兩側(cè)對稱安裝兩條平行導(dǎo)軌,卷揚(yáng)機(jī)安裝于包裝箱箱底前端,滑輪組與卷揚(yáng)機(jī)鋼絲繩位置對應(yīng),在包裝箱箱底前端、后端分別安裝。

▲圖3 牽拉系統(tǒng)

牽拉系統(tǒng)由伺服電機(jī)帶動卷揚(yáng)機(jī)作為動力部件,機(jī)械傳動部分主要由鋼絲繩、滑輪組、卷筒組、三合一驅(qū)動裝置等組成。鋼絲繩、滑輪等采用表面鍍鋅處理,滑輪外有滑輪罩保證鋼絲繩不跳槽。卷筒采用單層纏繞方式,卷筒上有繩槽,防止鋼絲繩跳槽,卷筒外設(shè)有壓輥,防止鋼絲繩松弛狀態(tài)下脫槽。驅(qū)動裝置具備斷電抱閘功能和手動釋放功能,驅(qū)動電機(jī)軸端預(yù)留手動接口用于電控控制出現(xiàn)故障時(shí)的應(yīng)急操作。卷揚(yáng)機(jī)筒裝有編碼器,可編程控制器根據(jù)編碼器反饋隨時(shí)跟蹤連接平臺位置,同時(shí)可編程控制器收集控制指令,控制連接平臺進(jìn)箱、出箱和暫停動作,可保證指令和位置有效配合。卷揚(yáng)機(jī)采用雙出線方式,兩側(cè)卷筒出線經(jīng)由滑輪組引導(dǎo)后與連接平臺對接,分別控制連接平臺進(jìn)箱、出箱操作。當(dāng)卷揚(yáng)機(jī)右旋轉(zhuǎn)動時(shí),進(jìn)箱卷筒引導(dǎo)進(jìn)箱鋼絲繩帶動進(jìn)箱滑輪組作收繩動作,出箱卷筒引導(dǎo)出箱鋼絲繩帶動出箱滑輪組作放繩動作,衛(wèi)星連接平臺進(jìn)入箱體內(nèi)部,實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星裝箱操作。當(dāng)卷揚(yáng)機(jī)左旋轉(zhuǎn)動時(shí),出箱卷筒引導(dǎo)出箱鋼絲繩帶動出箱滑輪組作收繩動作,進(jìn)箱卷筒引導(dǎo)進(jìn)箱鋼絲繩帶動進(jìn)箱滑輪組作放繩動作,衛(wèi)星連接平臺自箱體內(nèi)部出箱,實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星出箱操作,牽拉系統(tǒng)工作原理如圖4所示。

▲圖4 牽拉系統(tǒng)工作原理

連接平臺兩側(cè)安裝的導(dǎo)軌輪采用單邊法蘭輪形式,連接平臺在牽拉行進(jìn)過程中,導(dǎo)軌輪沿導(dǎo)軌上表面滾動行進(jìn),導(dǎo)軌輪法蘭與箱內(nèi)導(dǎo)軌側(cè)壁配合導(dǎo)向,防止連接平臺牽拉行進(jìn)過程發(fā)生偏轉(zhuǎn),導(dǎo)軌輪定位狀態(tài)如圖5所示,卷揚(yáng)機(jī)同步精度不大于±2 mm,重復(fù)定位精度不大于±4 mm,滿足極限工況連接平臺對位緊固要求。

▲圖5 導(dǎo)軌輪定位狀態(tài)

4 減振系統(tǒng)

減振系統(tǒng)用于對箱內(nèi)安裝的衛(wèi)星減振,是保障衛(wèi)星運(yùn)輸安全的重要功能之一。批量化衛(wèi)星包裝箱設(shè)計(jì)要滿足公路、鐵路、航空、海運(yùn)等多種運(yùn)輸方式,并且包裝箱主要在室外環(huán)境條件下存儲、運(yùn)輸,因此選用工作溫度范圍寬,耐腐蝕,對周圍環(huán)境影響不敏感的不銹鋼鋼絲繩減振器作為減振元件。根據(jù)額定減振載荷以及包裝箱底部安裝空間尺寸條件,選擇16個(gè)減振器采用45°安裝的方式,安裝于箱體和底架之間,減振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

鋼絲繩減振器靜載變形曲線如圖7所示。由圖7可知,該鋼絲繩減振器的剛度變化較大,鋼絲繩減振器靜剛度見表1。鋼絲繩這種較大剛度的變化使鋼絲繩減振器非常適合用于隔沖環(huán)境,但對于航天器運(yùn)輸?shù)?/p>

▲圖6 減振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

小量級振動來說,鋼絲繩減振器存在工作點(diǎn)不易設(shè)置的問題,較小的承載質(zhì)量變化就可以導(dǎo)致其靜剛度明顯的變化,使得減振系統(tǒng)的系統(tǒng)頻率變化較大,不利于系統(tǒng)設(shè)計(jì)和提升減振效果。為保證減振效果,需將減振系統(tǒng)減振載荷控制在一定的范圍內(nèi)。批量化衛(wèi)星包裝箱減振系統(tǒng)安裝于箱體和底架之間,其額定減振載荷的組成部分包括包裝箱箱體、牽拉系統(tǒng)、衛(wèi)星,以及箱體安裝件等部分。構(gòu)成減振系統(tǒng)額定減振載荷的各個(gè)組成部分中,包裝箱箱體及其部組件質(zhì)量占比較大且穩(wěn)定不變。衛(wèi)星質(zhì)量占比較小,衛(wèi)星質(zhì)量變化對整體減振載荷的影響小。此種包裝箱減振系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝方式允許衛(wèi)星質(zhì)量在一定范圍內(nèi)變化,提高了包裝箱裝載適應(yīng)性,更適合于批量化衛(wèi)星裝載使用。

5 測控系統(tǒng)

測控系統(tǒng)硬件主要由傳感器、工控機(jī)、通用串行總線數(shù)據(jù)采集卡、輸入/輸出模塊、攝像機(jī)、硬盤錄像機(jī)、測控客戶端、無線蜂窩模塊等部件組成,如圖8所示。通用串行總線數(shù)據(jù)采集卡通過通用串行總線接口連接到工控機(jī)上,用來將采集到的溫度、濕度、壓力、振動數(shù)據(jù)傳輸給工控機(jī),工控機(jī)將數(shù)據(jù)存儲在硬盤上,采用斷點(diǎn)續(xù)傳方式實(shí)時(shí)將工控機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)同步在測控客戶端上,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙備份,保證數(shù)據(jù)的完整性及安全性。輸入/輸出模塊通過RS 485通信協(xié)議接口連接到工控機(jī)上,實(shí)現(xiàn)控制風(fēng)機(jī)和充排氣電磁閥動作、實(shí)時(shí)顯示空調(diào)運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)設(shè)置等操作。攝像機(jī)將圖像傳輸給硬盤錄像機(jī),硬盤錄像機(jī)在存儲的同時(shí),也將實(shí)時(shí)圖像傳輸給測控客戶端,供操作人員實(shí)時(shí)觀看。所有數(shù)據(jù)通過無線蜂窩網(wǎng)絡(luò),將數(shù)據(jù)包發(fā)送到云端,通過手機(jī)、平板電腦等終端在線監(jiān)視,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)視及故障的遠(yuǎn)程聯(lián)動報(bào)警,供遠(yuǎn)端的技術(shù)人員掌握最新數(shù)據(jù),提高故障解決效率。

▲圖7 鋼絲繩減振器靜載變形曲線

表1 鋼絲繩減振器靜剛度

▲圖8 測控系統(tǒng)硬件組成

每次傳送數(shù)據(jù)量大,這些數(shù)據(jù)包括溫度、濕度、壓差、海拔、經(jīng)緯度、速度、振動、沖擊、視頻等多種類的數(shù)據(jù),為后期的數(shù)據(jù)綜合分析提供了豐富的數(shù)據(jù)源。通過分析總結(jié)數(shù)據(jù),可以掌握運(yùn)輸路線上的溫度分布、雨水分布、路面情況,可作為后續(xù)運(yùn)輸控制策略的制定依據(jù),實(shí)現(xiàn)結(jié)果指導(dǎo)設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)果,為系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供專業(yè)指導(dǎo)。

測控系統(tǒng)采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)檢索方式,對運(yùn)輸過程中各參數(shù)的最大/最小值、超限報(bào)警值、運(yùn)輸全程數(shù)據(jù)曲線圖、運(yùn)輸路徑軌跡等信息,均可由一鍵快速生成運(yùn)輸分析報(bào)告功能來實(shí)現(xiàn)。

測控系統(tǒng)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)不僅從數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性、完整性出發(fā)來考慮,還在系統(tǒng)的安全防護(hù)以及環(huán)境適應(yīng)性、系統(tǒng)可靠性方面進(jìn)行了著重的設(shè)計(jì)。

測控軟件基于LabVIEW軟件開發(fā),可以實(shí)時(shí)顯示通用串行總線數(shù)據(jù)采集卡的各種參數(shù)瞬時(shí)曲線、趨勢曲線、數(shù)值、超限報(bào)警提示。通過Modbus TCP協(xié)議及容錯(cuò)設(shè)計(jì),可以很可靠地和輸入/輸出模塊、空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行通信。通過攝像機(jī)的二次開發(fā)控件,將視頻集成于測控界面,具有良好的可視效果。

測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)有看門狗以及健康狀態(tài)監(jiān)測,能保證長于15 d的連續(xù)無故障運(yùn)行時(shí)間,可實(shí)現(xiàn)長距離公路、鐵路、航空、海運(yùn)運(yùn)輸實(shí)時(shí)監(jiān)測。

測控箱采用了防水密封箱體及防水航空插座的設(shè)計(jì),滿足IP56防護(hù)等級要求,保障在雨雪運(yùn)輸環(huán)境下的有效防護(hù)。測控系統(tǒng)通過選擇寬溫器件及通過合理的器件布局,能夠使熱量聚集處快速散熱,能夠穩(wěn)定工作于-30～50 ℃的環(huán)境溫度。通過上述合理有效的防護(hù)措施,能夠保證測控系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。

箱內(nèi)環(huán)境智能控制策略以及智能視頻測控系統(tǒng),保證了批量化衛(wèi)星包裝箱環(huán)境的穩(wěn)定保持。其中智能控制策略綜合箱內(nèi)外溫度、濕度、壓差的變化,以及海拔、經(jīng)緯度數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)空調(diào)設(shè)備、風(fēng)機(jī)、充排氣的智能控制。智能視頻測控系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)視頻的動態(tài)偵測及圖像識別,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)位置狀態(tài)的智能預(yù)警報(bào)警。

6 結(jié)束語

批量化衛(wèi)星包裝箱在傳統(tǒng)衛(wèi)星包裝箱具備減振、隔沖、恒溫、恒濕、恒壓等功能的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了針對性設(shè)計(jì)。批量化衛(wèi)星包裝箱結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化,牽拉系統(tǒng)能夠按照衛(wèi)星接口進(jìn)行適配性調(diào)整,采用衛(wèi)星連接平臺、卷揚(yáng)機(jī)、輪組等能完成衛(wèi)星自動進(jìn)箱和出箱操作,不需要使用吊裝設(shè)備進(jìn)行包裝箱的開箱吊裝、合箱吊裝、衛(wèi)星吊裝等操作,簡化了衛(wèi)星裝箱流程,能夠在不具備吊裝條件的廠房內(nèi)使用,擴(kuò)大了包裝箱適用范圍。包裝箱采用外減振形式載荷范圍更廣,對衛(wèi)星質(zhì)量變動不敏感,能夠滿足多種衛(wèi)星型號,包裝箱通用性更強(qiáng)。包裝箱監(jiān)控系統(tǒng)能夠在各種運(yùn)輸工況及復(fù)雜環(huán)境條件下無故障穩(wěn)定工作,完成儲運(yùn)狀態(tài)智能控制,并且在包裝箱儲運(yùn)過程中可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸及故障診斷,確保衛(wèi)星儲運(yùn)過程狀態(tài)安全、可控。

批量化衛(wèi)星包裝箱能夠適應(yīng)批量化、大規(guī)模、低成本的理念,實(shí)現(xiàn)流水線式包裝、商業(yè)化運(yùn)輸,以更低的成本、更快的速度投入市場。