某飛行器鐵路運輸環境測試系統研究

魏小林 劉 勇 吳 躍 張 璁

(北京航天計量測試技術研究所，北京 100076)

某飛行器鐵路運輸環境測試系統研究

魏小林 劉 勇 吳 躍 張 璁

(北京航天計量測試技術研究所，北京 100076)

介紹了基于分布式采集的運輸環境數據綜合采集系統，實現了某飛行器經鐵路運輸到發射陣地的振動、沖擊、溫濕度等環境參數的實時監控測量，后續通過車載分析系統對采集的海量測試數據進行自動批處理，得到振動測量數據的時域和頻域分析、溫濕度及車速等信息。測量分析數據表明，經過減振處理的火車運輸支架對飛行器運輸起到很好的減振效果，保障了運輸過程中產品的安全性。

飛行器 運輸 減振 采集

1 引 言

飛行器在運輸過程中必然要經受運輸力學、溫濕度等環境的考驗。通常運輸的方式有多種，運載火箭一般采用鐵路或輪船進行運輸，衛星通常采用鐵路、公路運輸[1]。不同的運輸方式所誘發的環境參數也存在較大差異，有時會對運載火箭等飛行器上的精密部組件造成損傷，故一般配備專用的運輸保溫箱體，并在敏感的位置安裝加速度傳感器、GPS、溫濕度傳感器等設備對飛行器支架的敏感位置進行力學環境[2]、濕度等參數的實時監控,以保證產品在運輸過程中的安全。采集過程中，采集設備分別安置在不同級的箱體內，將傳感器安裝在飛行器敏感的測量位置，然后通過線纜插接在采集器上，采集設備的供電通常由乘務車的發電機組進行供電，實時采集的測量數據由網線傳輸至乘務車的筆記本電腦，由監測人員實時監控飛行器在運輸過程中的運輸環境變化。

基于某飛行器鐵路運輸的分布式數據采集分析系統，能夠完成力學數據、溫濕度數據、經緯度數據的采集、儲存和分析。有效實現了某飛行器分級運輸，同步采集的能力，并且支持長時間海量數據的存儲。在完成全部的數據采集后，可實現力學測量數據的時域、頻域信號分析，全程的速度測量數據分析以及溫濕度數據分析。分析結果可直接用于評價鐵路運輸過程中飛行器的力學環境是否滿足指標要求，從而指導鐵路平板保溫運輸箱的減振結構的改進設計。

2 基于分布式采集的運輸環境數據綜合采集系統

由于某飛行器的體積龐大，在鐵路運輸的過程中，分一級和二級兩部分拆分運輸，分別通過上下包環固定在專用的保溫運輸箱內，在包環的內壁安裝有橡膠減振材料，防止在運輸過程中帶來較大的沖擊和振動。基于分布式運輸環境數據綜合采集系統主要由UPS電源、AC/DC轉換電源、筆記本電腦、網絡交換機、網絡硬盤、數據采集系統、GPS、振動傳感器、沖擊傳感器、應變傳感器、溫濕度傳感器、電纜和數據采集分析軟件構成。其中UPS電源、AC/DC轉換電源、筆記本電腦、網絡交換機、網絡硬盤、GPS放置在乘務車廂中，二級保溫運輸箱內和一級保溫運輸箱內各放置1套數據采集系統及各種傳感器。乘務車中穿出2根電源電纜分別接入兩個運輸箱中，乘務車中穿出2根通訊電纜也分別接入兩個運輸箱中，兩個運輸箱之間穿一根同步電纜，如圖1所示。

運輸環境測量系統利用車載220V交流電源進行供電，車載電源經過UPS電源為筆記本電腦、網絡交換機和AC/DC轉換電源供電，避免乘務車載電源掉電后影響數據采集，AC/DC轉換電源為數據采集系統和加速度傳感器供電。兩個運輸箱內的多個沖擊傳感器、振動傳感器、應變傳感器、溫濕度傳感器分別對相應測試點處的沖擊、振動、應變、溫濕度參數進行測量。

由兩套數據采集系統分別對兩個運輸箱內的多個傳感器進行采集，由機箱同步模塊和同步電纜實現兩套數據采集系統的同步采集；數據采集系統通過網絡交換機將數據傳送給筆記本電腦和網絡硬盤，網絡硬盤可以實現數據實時存儲備份，避免筆記本中的數據丟失造成測試失敗。筆記本電腦作為整個運輸環境測量系統的主控端服務器，通過TCP/IP向兩套數據采集系統發送命令控制開始、停止采集等，并存儲采集的數據，利用測試數據分析軟件可以實時監控數據采集是否正常有效，并在測試結束后通過測試數據對相關的參數進行計算和分析，筆記本電腦同時采集GPS的數據并存儲，用于記錄對應的行車時間、車速、道路條件。采集系統工作原理框圖如圖2所示。

2.1 傳感器測點布置

根據飛行器運輸標準的要求，運輸過程中監測沖擊振動傳感器可布置在與飛行器相接觸包環的附近，盡量靠近飛行器，如需要了解減振前后飛行器的受振動沖擊的力學響應情況，可在飛行器某敏感的位置安裝傳感器，通過頻域分析得出敏感頻率的響應情況。在二級保溫箱的前端安裝有溫濕度傳感器，監測箱內的溫濕度變化情況，以便控制箱內的空調運轉。一級采集器和二級采集器分別安裝在各自的保溫箱中，通過同步電纜連接，同步采集振動信號，并將數據存儲在筆記本電腦和網絡硬盤中。運輸環境測點分布如圖3所示。

2.2 數據采集系統配置

采集系統中的一級從采集器、二級主采集器、電腦和網絡硬盤通過交換機組成局域網，在啟動采集系統后，為采集器及存儲器分配IP地址，分別進入主采集器和從采集器的設置界面進行振動傳感器和沖擊傳感器對應的采集通道的靈敏度配置，以及溫濕度傳感器和GPS相關參數的設置。一般數據采集系統的采樣頻率設定按照需求直接固化在采集系統中，飛行器一般力學測量要求為：振動信號測量范圍(0.5～200)Hz[3]，(0～15)g，沖擊測量范圍為(0.5～200)Hz，(0～30)g。在信號采集時，采樣頻率至少

大于輸入信號的2倍，因此飛行器運輸監測一般選擇振動沖擊信號采樣頻率500Hz，這樣可以滿足采集頻率響應要求。

3 采集數據分析

運輸結束后，需要對采集的監測數據進行數據分析。數據采集分析軟件是基于圖形化編程軟件LabVIEW軟件，具有LabVIEW開發平臺的完整功能，利用這種集成的軟件構架可自由的定義和創建功能強大的測量和控制系統。運輸過程中采集的信息包括振動、沖擊、速度、地理位置、溫濕度及應力應變等信息。

(1)在乘務監測車廂配備了GPS，可以實時采集列車運行的經緯度及其計算火車行進速度，并與振動沖擊信號進行同步采集，可實現與力學測量數據的多維分析。在分布式采集軟件中，實時顯示經緯度和車速信息，并將數據存儲在電腦和網絡硬盤中。以橫坐標時間為同一橫坐標軸，振動和沖擊測量的最大值，可以在分析軟件中對應當時的經緯度和車速，便于分析是否由于剎車，鐵道接縫等原因帶來的振動加強。運輸結束后可根據GPS的經緯度信息的指導，在振動沖擊較大的路段，適當預先降低車速，減小振動和沖擊對飛行器的損傷。

(2)在分析軟件中選擇關注的測點通道，設置查詢時間段，可對監測數據的整個歷程進行自動批處理，無需手動查詢，大幅度提高處理效率。

(3)采集分析軟件能夠獲取粘貼在飛行器敏感位置的應力應變，運輸保溫箱中的溫濕度變化，整個運輸過程中的振動的極大值及均方根值以及沖擊響應情況。

4 采集數據處理實例

某飛行器從裝配廠房通過鐵路運輸運至試驗靶場，總體監測要求需記錄全程振動、沖擊、溫濕度、經緯度、速度和敏感位置應力應變的數據，采集振動及沖擊的加速度頻率為500Hz。通過對全程數據的監控和分析，火車的行進速度不超過80km/h,保溫箱內溫度控制在0℃～20℃之間，振動加速度峰值不超過1g，沖擊加速度峰值不超過2g，滿足某飛行器鐵路運輸對運輸環境的要求。如圖4所示。

5 結束語

基于分布采集的運輸環境參數綜合采集分析系統，能夠采集并分析某飛行器從總裝廠到發射試驗陣地鐵路運輸過程中的力學、溫濕度、速度等環境數據，并可在乘務監控車廂實時觀測測量結果，了解實時環境數據。根據全程數據分析結果可得出：

(1)從測量結果可得出某飛行器運輸支架測點的垂向(Z向)大于橫向(X向)的振動，這與列車的運輸狀態相符，如列車經過鐵軌接縫或路面不平時均會引起垂向振動。

(2)一級和二級運輸支架的振動沖擊量級響應基本一致，而二級中間位置無包環的輔助支撐處的振動量級大于前后支撐架處的振動量級，這與輔助支撐的支架活動結構有關，其結構強度較弱，并且配備升降調節機構，故振動幅度較大。

(3)一級和二級運輸支架配備彈簧隔振器和橡膠減振墊[4]，使運輸振動的高頻減振效果較為顯著，有效的降低了振動沖擊對產品的影響。

[1] 馬興瑞，韓增堯等編寫.衛星與運載火箭力學環境分析方法與試驗技術[M].北京：科學出版社，2014.

[2] 楊曉偉.振動校準現狀及發展綜述[J].宇航計測技術，2000(6)：41～47.

[3] 祝亞宏，劉廣通等.航天器運輸的力學數據采集、存儲和分析方法[J].航天器環境工程，2014，31(5)：564～567.

[4] 丁文鏡.減振理論[M].北京：清華大學出版社,2014：33～34.

Research on Environment Testing System for a CertainType of Spacecraft Railway Transportation

WEI Xiao-lin LIU Yong WU Yue ZHANG Cong

(Beijing Aerospace Institute for Metrology and Measurement Technology, Beijing 100076, China)

A comprehensive acquisition System of transport environment based on distributed acquisition is introduced. The real-time monitoring measurement of the railway transport environment parameters such as shock, vibration, temperature and humidity is realized. The mass data of the vibration in time domain and frequence domain, temperature, humidity and velocity can be automatic batch managed by the analysis software. Analysis result indicates that the railway transport frame with damping design play a very good damping effect and keep the product safe.

Spacecraft Transportation Damping vibration Acquisition

2016-10-18，

2016-11-07

魏小林(1984-)，男， 工程師,研究方向：飛行器成像載荷結構設計。

1000-7202(2017) 02-0058-04

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.02.12

TH825

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