大型航天器公路運輸車安全性技術研究

魏 東，代東穎，張 敬

（北京航天發射技術研究所，北京，100076）

0 引 言

國內外的航天器一般采用垂直轉載運輸的方式[1]，由航天器測試加注區運輸至火箭總裝測試區后，與火箭進行對接。長征五號運載火箭發射的航天器在完成總裝測試和推進劑加注后，與火箭整流罩及工裝設備組合，形成組合體狀態，采用公路車輛的方式進行整體垂直運輸。航天器組合體的最大運輸質量為40 000 kg、運輸高度為20.5 m、直徑為Φ5.4 m，并已加注大量推進劑，其運輸質量、結構尺寸和推進劑加注量等，超過以往中國航天器組合體規模2.5倍以上，如何確保其安全可靠地轉載和運輸，是需首要解決的問題。

航天器組合體垂直公路運輸車通過在總體性能、半掛車性能、牽引車防爆技術等采取綜合安全設計，提高了航天器組合體運輸的安全性和可靠性。

1 影響航天器組合體運輸的安全性因素分析

影響航天器組合體運輸安全性的主要因素如下：

a）組合體采用垂直運輸方式，運輸質量大、質心位置高、迎風面積大，相對于常規產品的運輸，橫向穩定性較差；

b）運輸道路條件存在坡度為4%的橫坡，運輸速度控制不當，容易發生傾斜，甚至導致側向傾覆；

c）組合體加注大量液態推進劑，液體在運輸過程中容易產生劇烈晃動，使產品發生晃動；

d）組合體加注推進劑，如果觸發起爆條件，可能發生爆炸。

2 提高航天器組合體公路運輸車安全性技術

2.1 總體安全性設計

組合體垂直公路運輸車裝載航天器組合體后，滿載運輸高度可達22 m，運輸高度和質心高度均較高，并且加注有大量推進劑。為了提高組合體運輸時的行駛安全性，需考慮道路側坡、轉彎離心力、側向風[2]等涉及穩定性因素的綜合影響。從車輛總體設計考慮，在車輛型式選擇、懸架結構、轉向系統等方面采取相應措施，以提高車輛的行駛穩定性。

為了滿足航天器組合體大尺寸、高質心、防爆性、整體垂直運輸等要求，組合體垂直公路運輸車采用由防爆電動牽引車和液壓軸線平板半掛車組成的半掛列車型式，見圖1。

圖1 組合體運輸車結構組成Fig.1 Structure Composition of Combined Transport Vehicle

牽引車用于牽引裝載組合體的液壓平板半掛車。牽引車采用防爆型式，以鉛酸蓄電池為能源，通過電機輸出動力，是集機、電、氣、液于一體的特種車輛。牽引車通過其牽引鞍座牽引半掛車，并通過供電插座為半掛車防爆動力泵站供電，用于為半掛車輪組轉向和懸架升降調整提供動力。

半掛車采用液壓軸線車[3]的結構型式，通過多輪組、低平板的多個掛車模塊[4]相互連接。車輛通過采用液壓助力轉向和液壓平衡獨立懸架系統，以及可全方位擺動的整體式車軸，可實現輪組轉向、高度升降及傾斜等功能，具有較好的道路行駛機動性能和橋涵通過性能。車輛通過采用三點支承和懸架油缸的分組串通，在凹凸不平道路上行駛時，可始終保持所有輪胎與地面接觸，使車輪受力均勻，具有良好的減震性能。

組合體加注大量液態推進劑，為了避免車輛行駛過程中，對組合體及內裝的推進劑造成大的震動和沖擊，車輛在行駛性能上采取了如下安全防護措施：

a）滿載最大行駛速度采用減速措施，最高車速不大于5 km/h，避免高速行駛對組合體及內裝的推進劑造成沖擊；

b）在加速、制動控制系統中采用了緩速控制措施，避免突然起動、急加速、緊急制動過程中對組合體造成沖擊；

c）在轉向系統采用了轉角限位措施，避免過度轉向對車輛造成損壞，確保車輛行駛安全。

2.2 半掛車安全技術

2.2.1 提高車輛穩定性[5]技術

a）采用凹平板車架結構，降低質心高度。

半掛車在采用低高度液壓軸線車輛型式的基礎上，車架采用寬體、低高度結構型式，并且相對于前、后車架結構，中間車架采用下凹平板式承載結構，用于承載和固定組合體，承載面距地面最低高度降低至0.8 m，進一步降低組合體垂直運輸時的合成質心高度，提高車輛的高空通過性和行駛安全性。

此外，通過適當提高車架結構的自身質量，進一步提高車輛承載能力，降低整車滿載時合成質心高度。

b）寬輪距布置，增加穩定安全性。

半掛車的輪組布置方式不同于常規車輛，采用寬輪距、長軸距的布置方式，左、右輪組距離為4.33 m，前、后輪組軸距為1.55 m、9.122 m和3.1 m。采用寬輪距、長軸距的布置方式，在坡度為20%的極端條件下，滿載質心位置不超出車輪圍成的安全區域，提高車輛的橫向和縱向穩定安全系數，確保了車輛的行駛穩定性。

c）設置安全支撐裝置，避免車輛側傾。

半掛車車架側面底部設置了橫向安全支撐裝置，對輪組懸架失效、輪胎爆胎等意外情況，以及道路側坡而導致車輛側向傾斜，起到側向安全防護作用，提高車輛行駛安全性。橫向安全支撐裝置共設置4個，分別布置在中間連接車架四角的側邊縱梁底面。

支撐裝置采用金屬焊接結構底座和橡膠減震塊組成，底座與車架連接固定，橡膠減震塊位于底座下方。車輛一側的4個輪組懸架同時失去作用時，車輛將發生側向傾斜，此時橫向安全支撐裝置與地面接觸，起到支撐車輛的作用，避免車輛進一步傾斜和側翻，同時起到緩沖和減震作用。

通過綜合采用凹平板車架結構、寬輪組布置、安全支撐裝置等措施，可降低至合成質心距地高度至4.5 m，橫向極限側翻角度可達28°，有效提高了行駛穩定性和安全性。

2.2.2 高可靠液壓懸架系統

a）平衡懸架系統。

半掛車采用液壓油缸和蓄能器組成分組平衡懸架系統，每個懸架油缸均設置一個蓄能器。懸架油缸根據負載的變化自動調整伸縮量，懸架油缸承載均勻，蓄能器與懸架油缸共同作用，起到較好的緩沖和減振作用，具有較好的行駛平順性和道路適應性。

為了均勻分配半掛車各懸架載荷，保證承載平面的穩定可靠，將懸架系統油路分為3個回路，使懸架系統的支承方式形成具有穩定結構的三角形，稱為“三點支承”，見圖2。將各個回路車輪反力的合力在穩定面上的作用點相連，形成穩定的三角形結構，車輛重心在穩定三角形內，保持半掛車行駛穩定。懸架油缸串通方式如下：

圖2 半掛車輪組平衡懸架聯接型式Fig.2 Semi Trailer Wheel Set Balance Suspension Connection Type

1）前輪組車橋的懸架油缸與鵝頸主油缸串通（前支承）；

2）后輪組車橋的左側懸架油缸串通（左支承）；

3）后輪組車橋的右側懸架油缸串通（右支承）。

該種懸架串通方式對于車身較長，抗橫向擺動能力要求較高的車輛是一種行之有效的方法。由于在同一個支承中的油缸是串通的，當其中一個車橋在行駛中遇到障礙而載荷增加時，油缸內隨之增加的壓力立即在串通的液壓油缸中傳遞，使串通的幾個橋來共同分擔該橋增加的載荷，從而避免車輛行駛中某一橋所受載荷瞬間發生嚴重超載。

同組支承點的懸架油缸互相連接，在車輛運行時形成一個封閉的液壓系統，使車輛在不平路面或爬坡時，懸架油缸根據負載的變化自動調整伸縮量，保證同一支點組的每一個懸架油缸均勻承載。

b）懸架雙管路安全結構。

懸架油缸管路接口和車架上的管路需通過軟管連接，懸架高度調節過程中，該段軟管頻繁彎曲變形，長時間使用會出現老化、疲勞等損壞情況。半掛車懸架系統采用分組平衡方式，因此只要一個懸架油缸的軟管破裂，其所在分組的懸架油缸將同時失壓，此分組的懸架高度會突然降低，半掛車會出現側翻現象，嚴重影響航天器組合體的運輸安全。

為了解決上述問題隱患，在每個懸架油缸管路中采用懸架雙管路安全結構，包括：懸架油缸、軟管、防爆安全閥、截止閥等。懸架油缸和懸架主管路之間設置2個防爆安全閥，防爆安全閥之間通過兩根軟管連接。其中，防爆安全閥采用梭閥結構，見圖3。

圖3 懸架雙管路安全結構Fig.3 Suspension Double Pipe Safety Structure

當兩根管路都正常工作時，兩個防爆安全閥至少可以保證其中一根軟管是連通的。當該懸架的一根軟管發生破損后，這根軟管內的壓力會迅速降低，由于防爆安全閥的作用，可迅速切斷破損管路，防止油液進一步泄漏，另一根軟管仍可以正常工作。

通過采用懸架雙管路安全結構，可以自動封閉受損的管路，解決液壓管路破損引起的漏油導致的懸架失效問題，提高車輛行駛安全性和可靠性。

2.2.3 高可靠液壓機械轉向系統

同步轉向是通過半掛車鵝頸傳遞機構，使半掛車和牽引車保持相應的轉角關系，實現半掛車與牽引車同步轉向。牽引車通過半掛車鵝頸取力裝置驅動轉向信號油缸運動，信號油缸內液壓油受擠壓產生油壓，轉向信號油缸大腔液壓油被擠出，分別驅動前轉向油缸和后轉向油缸的大腔，實現半掛車的前、后輪組車輪的轉向。其中，前轉向油缸用于前輪組轉向，后轉向油缸用于后輪組轉向。

a）前、后輪組獨立式液壓系統。

前、后輪組液壓回路中均采用雙回路冗余設計，在正常情況下，前輪組和后輪組液壓回路中各自有2個回路均參與工作。轉向控制回路設置了4個轉向信號油缸，信號油缸分別與前轉向油缸、后轉向油缸連接，見圖4。前輪組和后輪組轉向控制回路是完全獨立的，互不影響，當前輪組或后輪組液壓回路中一個液壓回路發生故障時，另一個回路仍可以正常工作，兩個回路形成冗余備份，以保證液壓系統可以正常工作，進一步提高轉向液壓系統的安全性和可靠性。

圖4 前、后輪組獨立式液壓控制回路Fig.4 Independent Hydraulic Control Circuit of Front and Rear Wheel Set

b）多層次壓力安全保護。

轉向液壓系統采用靜液傳動方式，在每個液壓控制回路中均綜合采用蓄能器、安全閥組等部件，形成多層次安全保護，提高液壓系統的安全性，見圖5。具體方式如下：

圖5 液壓系統控制回路采用多層次安全保護示意Fig.5 The Control Circuit of Hydraulic System Adopts Multi-level Safety Protection

1）半掛車正常轉向時，轉向液壓系統的工作壓力不超過額定工作壓力，蓄能器處于關閉狀態，正常行車狀態下蓄能器不參與工作，蓄能器內無液壓油充入。

2）轉向液壓系統中壓力不斷增高，超過額定工作壓力值，蓄能器開啟，液壓系統中的高壓液壓油被蓄能器吸收，以調節液壓系統壓力，起到緩沖和避免系統壓力過高的作用。當系統壓力恢復正常后，蓄能器內多余液壓油返回至液壓系統中。

3）當液壓系統的壓力超過蓄能器的壓力保護范圍并達到安全閥組的保護壓力時，安全閥組溢流并報警，保護液壓系統免受損壞。

c）溫度補償裝置。

轉向液壓系統采用靜液系統，液壓油均封閉在由管路及液壓元件組成的容積固定的靜液腔體內，靜液系統易受環境溫度的影響。當環境溫度變化時，液壓油體積會發生變化，而靜液腔容積不變，則液壓系統壓力易出現較大波動，影響轉向性能和安全性。

在液壓系統中增加了溫度補償裝置，可將靜液系統的壓力限定在一定的范圍內，不受環境溫度的影響。

d）防偏擺裝置。

由于半掛車為超寬、超長車輛，液壓轉向系統的液壓傳遞路徑較長，并且當車輛較高速度行駛時，車輪由于受到振動、路面擾動等因素影響，車輛易出現偏擺現象，影響車輛行駛穩定性和安全性。因此，在與前轉向油缸、后轉向油缸連接管路中增加防偏擺裝置。行車過程中，路況較差情況下，后轉向油缸會隨著負載發生變化，當負載變化超過設定安全壓力時，防偏擺裝置上安全閥打開，轉向功能正常工作，保護系統免受擾動力帶來的干擾。

e）雙排縱拉桿和橫拉桿布置。

半掛車采用靜液系統帶動轉向機械結構實現車輪轉向，轉向機械結構采用桿系傳動的方式最終帶動前、后輪組轉動。

在轉向機械結構中，縱拉桿和橫拉桿采用雙排布置型式，始終保持其中有一排拉桿處于受拉力狀態，不易出現彎曲失效，減小半掛車行駛過程中由于壓桿變形造成的車輪左、右擺動。并且，縱拉桿和橫拉桿采用雙排布置型式，也對拉桿形成了冗余和備份，提高了結構的安全性和可靠性。

2.3 牽引車綜合防爆技術

牽引車用于牽引裝載組合體的半掛車，牽引車以鉛酸蓄電池為能源，通過電機輸出動力，是集機、電、氣、液于一體的特種車輛。根據防爆產品的運輸要求，為了提高航天器組合體（已加注推進劑）的運輸安全性，避免由于推進劑意外泄漏導致的災難性事故，牽引車按照EX ⅡB T4的防爆等級[6]考慮防爆設計，使用防爆區域為2區、其溫度控制值為135 ℃、最小引爆火花能量為0.060 mJ（同乙烯）。蓄電池式牽引車（以下簡稱“防爆牽引車”）綜合運用多種防爆型式，采用組合型防爆設計。牽引車的防爆技術處理以隔爆型“d”為主，本質安全型“ib”和特殊型“s”為輔，如：驅動電機、電控、儀表、開關、燈具、接線盒等均為隔爆型、加速器為本質安全型、電源裝置為特殊型，見圖6。

圖6 防爆蓄電池式牽引車主要防爆部件組成Fig.6 Main Explosion-proof Components of Explosion-proof Battery Tractor

2.3.1 防爆特殊型電源裝置[7]

防爆特殊型電源裝置是牽引車的動力源，電源裝置采用外加隔爆箱的鉛酸蓄電池系統，由蓄電池箱、鉛酸蓄電池組、連接導線、接線盒等組成，用于為驅動系統、轉向系統、制動系統、控制系統中的各種電機、控制器、控制開關、信號指示燈和照明燈等供電。

普通鉛酸蓄電池在非正常運行狀態下可能發生漏電、連接導線斷裂引起放電火花、極柱連接接觸電阻增加導致溫度升高等影響產品運輸安全的故障。防爆特殊型電源裝置通過采用防爆蓄電池箱、具有良好透氣功能的特殊排氣孔、雙線制連接導線、防爆接線盒（符合GB 3836.2《爆炸性環境第2部分：由隔爆外殼“d”保護的設備》）等措施，可以消除蓄電池周圍氫氣積聚、避免接線端子發生火花、防止火花外溢等，提高電源裝置的安全性和防爆性能。

2.3.2 隔爆型電機

驅動電機的防爆[8]處理，采用外部增加具有足夠強度的鑄鋼材質防爆殼體，當驅動電機殼體內的火花、高溫等導致爆炸時，驅動電機的防爆殼體不會發生損壞，也不會引燃周圍的爆炸性氣體，使得電機表面溫度不至于達到危險臨界溫度，從而達到整機的防爆性能要求。驅動電機殼體內部溫度設定值為120 ℃，運行溫度達到該設定值時，電機控制器可自行斷電保護。

2.3.3 防爆電器元件和設備

防爆牽引車選用的所有電氣設備均為本安型防爆產品，包括：防爆電喇叭、防爆防腐行程開關、防爆儀表盒、防爆接線盒、防爆信號燈、防爆方向開關、防爆電源轉換裝置、防爆控制開關、防爆型加速器等。

2.3.4 電纜、電氣回路

防爆牽引車的電纜采用絕緣銅芯軟電纜。電纜的載流量保證通過車輛上相關電氣設備的額定電流時，產生的溫度值不高于溫度組別或絕緣材料的允度值，電纜能夠承受至少500 V電壓的耐壓試驗[9]。在電氣回路中設置過電流保護環節，防止過大的電流對蓄池組造成損壞，并引起不允許的危險溫度。

此外，防爆牽引車的防爆電氣單元和電氣連接，都與車體的金屬構件保持良好的絕緣。

2.3.5 靜電防護

靜電是引發爆炸事故的另一危險源。因此，車輛安裝導靜電壓配實芯輪胎（在制造輪胎的橡膠料中添加適當的導電劑，以達到抗靜電的果），以便將車體上能產生的靜電導入地下。

2.3.6 消除機械火花

組合體垂直公路運輸車，通過采用防爆電動牽引為避免車體與地面或其他器件摩擦、碰撞產生火花引發爆炸事故，車輛上所有可能與外部產生摩擦和碰撞的部分，如車體外圍局部、牽引座外表面等均采用不銹鋼或銅質材料保護，減低碰撞產生的能量。

3 結 論

車和液壓軸線平板半掛車型式，提高整車的道路通過能力、減小沖擊、降低振動；通過采用提高車輛穩定性技術、高可靠液壓懸架系統、高可靠液壓機械轉向系統，提高半掛車的行駛安全性；牽引車通過綜合運用多種防爆型式，提升了對推進劑的防爆性能，確保組合體運輸的安全性和可靠性。