快速發射運載火箭測發控方艙列裝化設計研究

高 飛, 徐 瑋, 汪 灝，歐陽李青, 徐 昕，，王有春，聞 新

(1.上海航天電子技術研究所，上海 201109; 2.上海宇航系統工程研究所，上海 201109;3.南京航空航天大學 航天學院，南京 210016)

0 引言

裝備列裝化，即裝備列入用戶的裝備序列。裝備需要充分驗證其可靠性和可操作性，才具備裝備用戶的條件。隨著我國航天力量建設需求緊迫，對于運載火箭裝備的需求日益旺盛，盡快列裝技術成熟、質量穩定、操作便捷的運載火箭地面裝備已是大勢所趨。立足于向使用方提供實用、好用的裝備，同時提高快速發射運載火箭的市場競爭力，以藍箭航天ZQ-2運載火箭測發控系統方艙、航天八院XX-6運載火箭測發控系統方艙為研究對象，對快速發射運載火箭測發控方艙的列裝化設計技術開展分析與研究。主要分析了快速發射運載火箭測發控方艙列裝的設計原則，介紹了方艙艙體設計和布局設計思路，分析研究了不同方艙裝卸模式的優缺點和適用性。

1 列裝化測發控方艙設計原則

1.1 艙體減重和結構設計優化

方艙艙體采用高強度低密度新型材料能有效減少方艙艙體本身的重量，提高艙體結構各項性能指標。通過優化方艙孔口結構設計改善方艙的抗電磁干擾性能。

1.2 操作便捷舒適，易于維護

測發控方艙的布局安排要合理，需考慮人機交互以及備護件存放、運輸和搬運的便捷；簡化結構件設計，減少設計品種，結構設計實現標準化、系列化、通用化；使用互換性、通用性強的零部件；各種標識盡可能齊全，給用戶盡量多的提示等。

1.3 操作工位安排合理，空間利用率高

要按照某種原則進行優化、合理布局艙內設備，優先考慮使用頻率較高設備的人機交互性，保證艙內人員具有合適的操作空間。設備故障需要維護時要留有合理的維護空間。

1.4 具有良好的自主生存性，無依托能力強

測發控方艙的運輸不依賴于吊車、鏟車，方艙可通過配置電動或手動自拆卸機構提高方艙的自主生存性和機動性，實現方艙的快速展開、恢復和撤收。

2 方艙艙體設計

方艙采用大板結構形式，由兩塊側板、兩塊端板、一塊頂板、一塊底板通過包角、角件用鉚接和膠接的方法拼接而成。傳統的方艙大板內外蒙皮為1.2 mm厚的鋁合金板，內有鋁合金型材骨架和硬質聚氨脂泡沫材料與骨架蒙皮粘接而成，艙壁厚50 mm。為解決方艙結構強度和重量之間的矛盾，方艙大板采用蜂窩復合材料代替傳統的合金骨架和泡沫材料，既能提高結構強度，又可以減輕方艙重量。蜂窩結構具有隔音隔熱、減振、高抗壓強度、高比強度以及高比剛度等特點，是優異的輕質高強結構材料。蜂窩狀夾芯板如圖1所示。

圖1 蜂窩狀夾芯板

文獻[8]研究了不同蜂窩結構對蜂窩紙板力學性能的影響，研究表明，當蜂窩邊長一定時，隨著蜂窩高度的增加，屈曲強度迅速下降，共振頻率先下降后升高；當蜂窩高度一定時，隨著蜂窩邊長的增加，屈曲強度逐漸下降，但共振頻率變化不大，且會在其右側出現小峰，當蜂窩的邊長與高度比在1∶1附近時，共振頻率最低。

文獻[9]中對方艙用蜂窩吸波材料的吸波性能進行了研究，采用聚脲彈性體作為抗沖擊層，研究了聚脲厚度與抗沖擊性能之間的關系。研究發現在滿足抗沖擊性能的前提下，對蜂窩材料的單層和雙層吸波性能進行了研究。結果表明，0.5 mm厚玻璃鋼板噴涂1 mm厚聚脲，可以滿足抗沖擊要求。研究還發現雙層結構吸波材料的吸波性能明顯優于單層結構。

蜂窩復合材料在國外已經作為方艙大板的替代品。目前國內采用蜂窩結構的方艙生產廠家數量不多，預計在不久將來，蜂窩型方艙將會應用到更多的方艙設計中。

為保證系統在實際工作全過程中各項性能、指標能夠正常、穩定、可靠地工作，方艙的電磁屏蔽和電磁兼容設計對艙內設備正常運行也很重要。電磁屏蔽需要解決的問題就是門、窗、孔、口、蓋、縫隙等的電氣連續性。門與門框周邊間隙的調整，實際是在調整門與門框之間的導電材料對門與門框的接觸程度。縫隙處增加螺釘或鉚釘的數量，縮短縫隙長度，可防止天線效應的產生。其它窗、孔、口、蓋電磁屏蔽效能的提高，也是通過安裝縫隙的辦法來實現。

目前方艙主要的電磁兼容設計方法有電纜布線和集中屏蔽處理，艙體上窗玻璃選用鉛化玻璃，敷設防靜電與屏蔽功能地板，使用銅材絲網彈性材料對孔口、縫隙充填處理，對艙體空調口設計專用波導器等。

3 方艙布局設計

軍用車載方艙作為電子設備和操作人員的載體，其結構布局尤為關鍵。結構布局是個綜合性的問題，必須反復比較，找出最佳方案。要理順電子設備的關系，使走線距離短、布局合理、散熱好、相互干擾小、重心低，就需要合理分配載荷，以滿足公路運輸要求，便于操作和維修，符合人機工程學要求。

3.1 艙內布局

測發控方艙艙內設備是要按照某種原則進行優化、合理的布局安排，才能達到艙內環境的協調、良好舒適的效果。人機交互最密切的地方應優先布置，盡可能把空間留給操作者及其周邊，然后再考慮布置安裝設備的機柜，接下來再去考慮輔助設備布置。對于空調器室外機、發電機等噪聲源設備應盡可能遠離操作區域。

在方艙高度無法改變的現狀下，通過合理布局來增加艙內空間感。布置時同排機柜類型、風格盡量相同，盡量避免混裝。安裝的同排機柜級設備高度和寬度一致，避免產生“豁口”效應。當同排機柜寬度不能相同時，同寬度的機柜盡量緊鄰布置或在艙內對稱布置。艙內機柜底部設置合適的減震器能有效抑制共振，尤其是高度方向的減振效果最為明顯。

常用的模塊化機柜寬度分為19″、24″(面板尺寸482.6 mm、609.6 mm)兩個系列；高度分為1 400 mm、1 600 mm、1 800 mm共3個系列；深度為600 mm和800 mm共2個系列，參見表1。

表1 常用模塊化機柜系列 mm

圖2 ZQ-2測發控系統主要設備連接關系圖

由于測發控方艙內安裝了較多復雜的電子設備，為了保證其可靠地工作，必須保證方艙內的操作、維修空間。操作者坐姿操作機柜內設備時，需考慮操作者的最佳操控范圍。機柜前部應給操作者留出不小于900 mm的操作空間，如果身后允許其它人員通過時，則考慮留400 mm左右的通行空間。機柜后部的維修空間不應小于800 mm。

3.1.1 ZQ-2運載火箭前端方艙艙內布局設計

ZQ-2運載火箭測發控系統分為前端、后端兩大部分，前端為測發控系統的執行載體，后端為測發控系統的指揮、判讀機構。前后端之間通過光纖連接。前端包括方艙、鋰電池智能充放電裝置、PXI測控組合、發控PLC組合、前置交換機、安控電源、一級電源、二級電源、等效器、電爆電路測試儀、電磁閥測試儀、火工品阻值測試儀、電阻盒、一套地面電纜網。后端包括應急控制盒、后置交換機、服務器、主控計算機、狀態顯示計算機、數據判讀計算機、電池狀態監視計算機等。系統架構及其互聯關系如圖2所示。

ZQ-2測發控方艙艙內后端可設置最多4個高35 U、深700 mm、寬525 mm的機柜。為便于走線，機柜底部高出艙底200 mm。機柜頂部設置1個攝像頭，用于觀察機柜內設備運行情況。方艙艙內前端設置設備架1件，設備架高2 000 mm、深500 mm、寬2 000 mm。設備架兩側擋板可拆卸，方便架上設備取用。方艙內部布局如圖3所示。

圖3 ZQ-2測發控方艙內部布局

方艙的頂部設置LED照明燈和頂置空調，方艙右側板居中設置出入門，門上設置應急燈和接地樁，門的左右兩側各設置飛利浦面包機、電源網絡插座、通風孔口，門的左側設置照明開關、風扇開關、空調控制盒等。方艙左側板設置液晶電視、室內電采暖器、電源網絡插座、通風孔口、折疊工作臺、折疊椅和衣帽鉤。

方艙底部裝防靜電地板，地板上表面距艙底高150 mm，地板下安裝地板架、走線槽、匯流條等，并且在機柜的后部各設置一條明線槽，便于后期走線。艙體的線纜布置上采取強、弱電線纜分開且分別走入電纜金屬線槽內，且進行有效固定，線槽上方加蓋金屬槽蓋，上、下槽連接并接通艙體地端，這樣使整個強、弱電線纜索與外部空間起到了良好屏蔽作用。

3.1.2 XX-6運載火箭前端方艙艙內布局設計

XX-6火箭地面測發控方艙由前端方艙、后端方艙二個方艙構成。前端方艙為測發控系統的執行機構，后端方艙為測發控系統的指揮控制機構。火箭在基地執行任務時，前端方艙、后端方艙首先隨箭體在技術陣地進行水平測試，測試完畢后，前端方艙隨箭體轉運至發射陣地前端設備間內，后端方艙轉運至發射場后端的指揮場坪，進行臨射功能檢查和發射工作。系統框圖如圖4所示。

XX-6運載火箭前端方艙為測發控系統執行機構載體，艙內設置有發控組合、地面電源等設備，具有布局精簡的特點，艙內安裝全景攝像頭，為前端設備無人值守提供支持。方艙內部布局如圖5所示。

圖4 XX-6運載火箭地面測發控方艙框圖

圖5 XX-6運載火箭測發控前艙內部布局

前端方艙前部為4個功能機柜，后部為中頻主機、副機機柜與貨架。機柜后部為維修區域，在方艙運輸時可以作為備護件存放區，存放的包裝箱通過艙底設置的拉繩環固定，貨架一側開門為雙開門，機柜維護區一側開門為單開門，在便于物品進出的同時最大程度保證方艙結構的穩定性。

方艙中部為操作區，艙內安裝一臺顯示屏，用于顯示IPTV。測發控系統對箭電纜從方艙右上部的壁盒孔口引出，前端方艙的供電、網絡光纖通訊從方艙右下部的壁盒孔口引出。艙內側壁綁扎折疊椅，IPTV屏下設置有一個翻轉臺板，用于前艙人員會議、設備應急維修，臺板下方設置有防水壁盒孔口，用于連接外部天線。在方艙運輸時，操作區的空間同樣可作為設備存放區域，地板上設置有拉繩環，方艙進門采用雙開大門形式，便于設備的搬入搬出。

整個前艙用于存放設備的空間較多，包括雙層貨架、前后維護區、中部操作區等，可放置等效器、分布式測試設備、電纜網、工具、備護件等。設備和電纜在轉運期間均以鋁合金包裝箱的形式存放于方艙內，使用時從艙內搬出。

前端電氣方艙安裝軍用頂置空調，通過風道設計保證對直流電源、中頻電源等需要散熱的設備進行降溫。艙頂設置360°旋轉高清攝像頭，監控人員可以實時無死角的對艙內設備工作狀態進行觀察，為前端設備無人值守提供技術支持。

3.1.3 XX-6運載火箭后端方艙艙內布局設計

后端方艙為測發控指揮、判讀機構、遙測地面設備的載體。后端方艙艙內設有顯示發射控制臺、電氣操作工位、測量操作工位等，考慮到后艙內人員操作舒適度，方艙采用可擴展形式，擴展方艙在收攏狀態下為標準CAF90尺寸，展開后內部面積可從18 m擴展到約27 m，可以保證艙內14名崗位人員就坐的情況下操作空間充裕、人員可以較為自由的進出。方艙的擴展機構采用UPS供電，在不外接電源的情況下，可以保證后艙展開、收攏。方艙收攏狀態和展開狀態如圖6所示。

圖6 方艙收攏狀態和展開狀態

艙前側設置70寸顯示器，用于顯示測試流程、箭上關鍵參數信息狀態、IPTV等，顯示內容切換由指揮崗位控制。大屏幕顯示器下方為暗藏式雙開門，內部小隔間可放置服務器集群、UPS、配電箱等設備，隔間采用靜音材質和內耗因子較大的隔音涂料，確保設備運行時的噪音不會進入工作間。隔間后部設置維護門，整個后艙的加電控制在隔間維護區內操作，可避免誤動作。維護區內還設置有貨架，在后端方艙轉運時可作為備護件存放區。方艙透視圖如圖7所示。

圖7 方艙透視圖

擴展艙角落放置矮機柜，用于收納圖紙、資料，機柜上方放置打印機、飲水機。方艙后部設置有機柜和小工作桌，用于測量系統地面設備操作。同樣采用后維護方式，設備在方艙運輸時放置在維護區內。維護區艙壁設置有防雨孔口，用于連接測量地面設備與艙外的設備和天線。

由于后端方艙艙頂已經安裝天線，無空間安裝頂置空調，因此后端方艙采用分體式空調，外機放置于測量設備機柜維護門之外。為保證設備的散熱良好，單臺方艙設置兩臺空調。艙內設置踢腳線式加熱帶，配合方艙空調，可確保艙內溫度快速提升，保證人員、設備工作在良好的溫度環境中。

方艙底部安裝防靜電地板，地板上表面距艙底高150 mm，地板下安裝地板架、走線槽、匯流條等，機柜的后部設置了一條明線槽，便于后期增加線纜走線。艙體的線纜布置上采取強、弱電線纜分開且分別走入電纜金屬線槽內，并進行有效固定，線槽上方加蓋金屬槽蓋，上、下槽連接并接通艙體地端，這樣使整個強、弱電線纜索與外部空間起到了良好屏蔽作用，同時有效固定了電纜纜索。

3.2 艙外布局

XX-6運載火箭測發控方艙外觀噴涂根據基地自然環境條件，采用北方綠色數碼迷彩。方艙運輸車可統一采用使用地廣泛配置的品牌，便于使用方統一保養維修。前端電氣方艙和后端可擴展電氣方艙外形如圖8所示。

圖8 前、后端電氣方艙外形圖

方艙艙外一般布置空調外機、工具箱(系吊組件)、登艙梯、通風窗口、轉接窗口、升降結構、滑橇、方艙調平機構、天線等物件。后艙頂部安裝遙測天線和轉臺，設備恢復時，抬起天線拋物面，豎起天線架，拋物面安裝在天線支架上。

4 機動性設計

傳統的軍用車載方艙與載車的裝卸、方艙在陣地上或庫房內短距離的移動都需要使用吊車等設備，增加了軍用裝備的配套設備數量。近幾年，根據型號方艙列裝化的需要，進一步發展了方艙的機動能力。為了提高方艙的機動性，在方艙設計時對裝載方艙的載車平臺進行改進，設計了各式各樣的自裝卸機構，如隨車吊裝結構、升降結構、半吊裝拖動結構等。

4.1 吊裝結構

吊裝結構是指方艙裝卸作業的過程中采用吊裝的方式移動方艙，如圖9所示。載車的結構特點是在裝載平臺前、后端各安裝一臺可側向伸展的隨車吊，裝卸時通過鏈條吊裝方艙前、后端的下包角，將方艙整體吊起，在載車側面實現方艙裝卸。裝卸時需要載車在側向具有很好的支撐穩定性，載車還需要配置大跨距的側向支撐裝置。

圖9 隨車吊裝結構

隨車吊裝結構的優點是載車既可以自裝卸，又可以為其他載車裝卸。該結構適用于方艙成組運輸，方艙成組運輸時只需配一臺隨車吊裝結構載車，其他載車可不具備裝卸能力。

隨車吊裝結構要求載車平臺具有極好的剛度條件，同時配備兩臺隨車吊和側向支撐裝置，導致載車重量太大，降低了車輛運輸的有效載荷能力。方艙裝卸作業時吊裝點在艙體的前后兩端，要求艙體在前后兩端不允許有凸出的附加物。若方艙配置空調機安裝在艙外前端或后端或在艙外安裝天線桿等附屬物，則不適合使用隨車吊裝結構載車。

4.2 升降結構

當受各種環境限制且無法采用吊車或鏟車對方艙進行起吊，方艙升降結構可以方便地把方艙從載車上裝卸，使得方艙擺脫了吊車或鏟車配套使用的限制，在場地狹小，吊車、鏟車無法開進的情況下，升降結構是一個必不可少的裝卸工具，因此升降結構大大地提高了測發控方艙的機動性和適應性，但為保證安裝在車箱內的設備正常工作，需配置支撐調平系統。調平系統可用于車廂的支撐并自動調整至一定的水平精度，升降結構如圖10所示。

圖10 升降結構的外形尺寸和安裝尺寸

升降結構采用獨特的梯形絲桿機械傳動方式，經過優化設計，具有結構輕巧省力，安裝簡單，使用可靠，維護簡便，外形美觀等特點，而且由于采用了自鎖型絲桿傳動，故可在任意位置自鎖工作。該機構利用角件孔、支座等構件可與方艙構成了一個穩固的結構，穩定性好。球型底盤在使用中允許方艙具有一定的傾斜能力(1.5)，在野外地面環境下亦可以正常工作。工作時手動將升降結構旋轉至工作位置并固定后，方可進行升降工作，整套機構操作簡單、方便。

升降結構可根據方艙的重量進行選型，電動模式是通過按動線控盒上的按鈕來實現，線控盒配備連接電纜，操作者可根據現場狀況選擇操作位置，并保證操作時能觀測到整個系統的動作情況。當系統斷電或其他緊急情況需要使用升降系統動作時，可進行手動操作。電動/手動一體化升降機構實物如下圖11所示。

圖11 測發控系統方艙升降結構實物圖

目前，國內外生產方艙升降行走機構的結構形式主要有二種：1)升降裝置和行走輪是分離的；2)升降裝置和行走輪是一體化的。分離式結構的升降行走機構把升降裝置裝在方艙角件的側面，行走輪裝在方艙角件的下面，具有設備自重較輕，安裝操作較方便等優點。一體化結構的升降行走機構把升降裝置和行走輪合為一體，直接裝在方艙的角件的側面，優點是安裝工作量小、時間短，不需再開辟運輸時的放置空間，升降和行走操作簡便。一體式升降結構示意圖如圖12所示。

圖12 一體式升降結構示意圖

4.3 半吊裝拖動結構

半吊裝拖動結構是指方艙在裝卸過程中將方艙前部吊離地面，方艙后部以拖動方式隨動。半吊裝拖動結構可分為龍門架式和托盤式，如圖13所示。龍門架式裝卸結構需在方艙前部安裝一個龍門式吊架，載車上需裝備一個可伸縮傾轉的L形拉臂。裝卸開始時拉臂處于收縮狀態，拉臂通過鉤住龍門架傾轉將方艙前部抬起，搭到載車后部，然后吊鉤反向傾轉將方艙拖上載車，最后拉臂將方艙拖到固定位置。托盤式結構是先將方艙固定在托盤上，通過吊裝托盤前端吊架進行裝卸，吊裝過程與龍門架式基本一致。

圖13 半吊裝拖動結構

半吊裝拖動結構載車裝卸時對拉臂鉤與吊裝點的對接要求較高，優點是卸載速度快，單人即可完成裝卸。裝卸時吊起方艙前部，艙體尾部接觸地面時，前部艙底已搭上載車平臺，此時需保證裝卸傾角不能太大，一般不超過30°，否則會對方艙內裝設備產生不利影響，半吊裝拖動結構適用于長度尺寸較大的方艙。

龍門架式結構載車通用性差，運輸時依靠鎖緊機構鎖定方艙滑橇的特定開口部位，需要方艙滑橇作特殊設計以適應該特定結構。載車只能裝卸特定結構方艙，而無法裝卸普通結構方艙。方艙通常通過固定包角的方式運輸，龍門架式鎖緊機構鎖定方艙滑橇特定開口部位，不符合方艙承載結構預設的受力狀態，會縮短方艙的使用壽命。

托盤式結構在龍門架式基礎上加裝了托盤，解決了方艙裝卸鎖固不合理的問題，但托盤質量較大，限制了載車裝載能力，同時還增加了制造成本，通用性較差。為了保證具備隨時裝卸能力，托盤需固定在方艙下面，無托盤的普通方艙則無法裝卸。

根據XX-6運載火箭測發控系統在靶場的實際使用環境看，無論在技術陣地還是發射陣地，方艙落地使用更有利于設備使用和人員進出，也有利于廠房內衛生狀態的控制。

ZQ-2測發控方艙和XX-6運載火箭第二批方艙配置電動升降結構，可方便地把方艙從載車上裝卸，使得方艙擺脫了吊車配套使用的限制，在場地狹小，吊車無法開進的情況下，升降結構是一個必不可少的裝卸工具，因此升降結構大大地提高了方艙的機動性和適應性。

5 結束語

本文提出了快速發射運載火箭測發控方艙列裝化設計思路。首先從測發控方艙艙體設計入手，介紹了蜂窩結構應用于測發控方艙時的優勢以及方艙的電磁屏蔽和電磁兼容設計思路；接著介紹了艙內外布局原則，方艙布局和裝飾要合理，便于操作和維修，符合人機工程學要求等；最后對比分析了不同裝卸結構對方艙機動性的影響，采用電動升降結構的方艙裝卸機動性更好。通過以上一系列的設計和實現，可極大提高方艙的各項性能、指標和功能。以上設計思路已經在藍箭航天ZQ-2運載火箭測發控方艙、航天八院XX-6運載火箭測發控方艙中得到工程應用，取得了良好的效果。