批量化衛星儲運一體化包裝箱的設計

□ 韓美燕 □ 許 寧 □ 楊斌元 □ 于 鵬

天津航天機電設備研究所 天津 300458

1 設計背景

航天衛星搭載了大量高精度、高靈敏度的科學儀器,對于環境靈敏度高。因此,在衛星地面總裝、電測、試驗階段要求,廠房具備特定的溫濕度、潔凈度等環境條件。衛星研制完成后需要由研發產業基地運輸到發射場,就需要配套專用的包裝設備為衛星持續提供適宜的儲運環境。

近年來國內外商業航天活動迅速發展,低軌通信衛星系統的建設可為軍、民、商各類用戶提供支持智能終端的移動通信,以及互聯、物聯數據服務。國內多家企業紛紛推出了自己的商業衛星批量化生產計劃,部分公司已發射了數顆衛星。

批量化衛星包裝箱是實現衛星儲運的專用設備,能夠為衛星提供減振、隔沖、恒溫、恒濕、恒壓、保潔、防塵、防雨、防靜電等環境條件,并且包裝箱具備連接固定、行走、吊裝、緊固等功能,能夠適應衛星儲運環節所涉及的安裝、廠房內移動、運輸緊固等使用需求。

2 系統組成及布局

批量化衛星包裝箱由主體結構、牽拉系統、減振系統、升降行走系統、測控系統等組成。箱體是包裝箱各功能部件的安裝載體,箱體為氣密性結構,能夠為衛星提供防塵、防雨、高潔凈度的儲運環境。牽拉系統用于實現衛星與包裝箱的緊固安裝,連接平臺組件上可預留多組衛星接口,適應多種規格衛星安裝,增強設備通用性。減振系統實現包裝箱運輸過程中減振、隔沖功能。行走系統可以實現包裝箱短距離移動功能。測控系統用于溫濕度控制系統、壓力控制系統等的綜合閉環控制,并能夠實現對包裝箱內部溫度、濕度、壓力、運輸經緯度、海拔等數據的采集記錄。通過遠程診斷功能,測控系統可以實現包裝箱儲運數據的遠程傳輸及故障聯動報警。批量化衛星包裝箱系統組成框圖如圖1所示。

▲圖1 批量化衛星包裝箱系統組成框圖

批量化衛星包裝箱箱體設計為側開門結構,箱門與箱體通過合頁、搭扣連接。箱內接口組件位于箱體內部,減振系統安裝于包裝箱箱體與底架之間,升降行走系統位于底架四角,測控系統硬件設備集中安裝于箱體一端便于線路布局。批量化衛星包裝箱整體布局如圖2所示。

▲圖2 批量化衛星包裝箱整體布局

3 牽拉系統

與傳統衛星相比,批量化衛星具有低成本、短周期、大批量等突出特點。為適應批量化衛星生產模式,批量化衛星包裝箱采用牽拉系統實現衛星連接平臺從箱門處自動牽拉進入箱內、牽拉出箱功能,衛星裝拆全過程均不涉及吊裝操作,衛星裝箱方式更加高效、便捷。牽拉系統由衛星連接平臺、連接平臺裝箱導軌、卷揚機、滑輪組、固定座等組成,如圖3所示。

衛星連接平臺上部為衛星接口,設計過程中充分考慮接口的通用性、兼容性,預留多組接口安裝孔和連接座,連接座一端與衛星接口匹配,另一端為連接架通用接口,不同規格的批產衛星可通過匹配連接座與連接平臺安裝固定。衛星連接平臺前后端面安裝鋼絲牽拉點和螺接固定座,兩側面分別安裝兩個導軌輪。

包裝箱箱體底部兩側對稱安裝兩條平行導軌,卷揚機安裝于包裝箱箱底前端,滑輪組與卷揚機鋼絲繩位置對應,在包裝箱箱底前端、后端分別安裝。

▲圖3 牽拉系統

牽拉系統由伺服電機帶動卷揚機作為動力部件,機械傳動部分主要由鋼絲繩、滑輪組、卷筒組、三合一驅動裝置等組成。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,卷筒外設有壓輥,防止鋼絲繩松弛狀態下脫槽。驅動裝置具備斷電抱閘功能和手動釋放功能,驅動電機軸端預留手動接口用于電控控制出現故障時的應急操作。卷揚機筒裝有編碼器,可編程控制器根據編碼器反饋隨時跟蹤連接平臺位置,同時可編程控制器收集控制指令,控制連接平臺進箱、出箱和暫停動作,可保證指令和位置有效配合。卷揚機采用雙出線方式,兩側卷筒出線經由滑輪組引導后與連接平臺對接,分別控制連接平臺進箱、出箱操作。當卷揚機右旋轉動時,進箱卷筒引導進箱鋼絲繩帶動進箱滑輪組作收繩動作,出箱卷筒引導出箱鋼絲繩帶動出箱滑輪組作放繩動作,衛星連接平臺進入箱體內部,實現衛星裝箱操作。當卷揚機左旋轉動時,出箱卷筒引導出箱鋼絲繩帶動出箱滑輪組作收繩動作,進箱卷筒引導進箱鋼絲繩帶動進箱滑輪組作放繩動作,衛星連接平臺自箱體內部出箱,實現衛星出箱操作,牽拉系統工作原理如圖4所示。

▲圖4 牽拉系統工作原理

連接平臺兩側安裝的導軌輪采用單邊法蘭輪形式,連接平臺在牽拉行進過程中,導軌輪沿導軌上表面滾動行進,導軌輪法蘭與箱內導軌側壁配合導向,防止連接平臺牽拉行進過程發生偏轉,導軌輪定位狀態如圖5所示,卷揚機同步精度不大于±2 mm,重復定位精度不大于±4 mm,滿足極限工況連接平臺對位緊固要求。

▲圖5 導軌輪定位狀態

4 減振系統

減振系統用于對箱內安裝的衛星減振,是保障衛星運輸安全的重要功能之一。批量化衛星包裝箱設計要滿足公路、鐵路、航空、海運等多種運輸方式,并且包裝箱主要在室外環境條件下存儲、運輸,因此選用工作溫度范圍寬,耐腐蝕,對周圍環境影響不敏感的不銹鋼鋼絲繩減振器作為減振元件。根據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,減振系統結構如圖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境,但對于航天器運輸的

▲圖6 減振系統結構

小量級振動來說,鋼絲繩減振器存在工作點不易設置的問題,較小的承載質量變化就可以導致其靜剛度明顯的變化,使得減振系統的系統頻率變化較大,不利于系統設計和提升減振效果。為保證減振效果,需將減振系統減振載荷控制在一定的范圍內。批量化衛星包裝箱減振系統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、衛星,以及箱體安裝件等部分。構成減振系統額定減振載荷的各個組成部分中,包裝箱箱體及其部組件質量占比較大且穩定不變。衛星質量占比較小,衛星質量變化對整體減振載荷的影響小。此種包裝箱減振系統設計安裝方式允許衛星質量在一定范圍內變化,提高了包裝箱裝載適應性,更適合于批量化衛星裝載使用。

5 測控系統

測控系統硬件主要由傳感器、工控機、通用串行總線數據采集卡、輸入/輸出模塊、攝像機、硬盤錄像機、測控客戶端、無線蜂窩模塊等部件組成,如圖8所示。通用串行總線數據采集卡通過通用串行總線接口連接到工控機上,用來將采集到的溫度、濕度、壓力、振動數據傳輸給工控機,工控機將數據存儲在硬盤上,采用斷點續傳方式實時將工控機內的數據同步在測控客戶端上,實現數據雙備份,保證數據的完整性及安全性。輸入/輸出模塊通過RS 485通信協議接口連接到工控機上,實現控制風機和充排氣電磁閥動作、實時顯示空調運行狀態及參數設置等操作。攝像機將圖像傳輸給硬盤錄像機,硬盤錄像機在存儲的同時,也將實時圖像傳輸給測控客戶端,供操作人員實時觀看。所有數據通過無線蜂窩網絡,將數據包發送到云端,通過手機、平板電腦等終端在線監視,實現系統的遠程實時監視及故障的遠程聯動報警,供遠端的技術人員掌握最新數據,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 測控系統硬件組成

每次傳送數據量大,這些數據包括溫度、濕度、壓差、海拔、經緯度、速度、振動、沖擊、視頻等多種類的數據,為后期的數據綜合分析提供了豐富的數據源。通過分析總結數據,可以掌握運輸路線上的溫度分布、雨水分布、路面情況,可作為后續運輸控制策略的制定依據,實現結果指導設計,設計優化結果,為系統的安全穩定運行提供專業指導。

測控系統采用先進的數據檢索方式,對運輸過程中各參數的最大/最小值、超限報警值、運輸全程數據曲線圖、運輸路徑軌跡等信息,均可由一鍵快速生成運輸分析報告功能來實現。

測控系統的穩定性設計不僅從數據的穩定性、完整性出發來考慮,還在系統的安全防護以及環境適應性、系統可靠性方面進行了著重的設計。

測控軟件基于LabVIEW軟件開發,可以實時顯示通用串行總線數據采集卡的各種參數瞬時曲線、趨勢曲線、數值、超限報警提示。通過Modbus TCP協議及容錯設計,可以很可靠地和輸入/輸出模塊、空調系統進行通信。通過攝像機的二次開發控件,將視頻集成于測控界面,具有良好的可視效果。

測控系統設計有看門狗以及健康狀態監測,能保證長于15 d的連續無故障運行時間,可實現長距離公路、鐵路、航空、海運運輸實時監測。

測控箱采用了防水密封箱體及防水航空插座的設計,滿足IP56防護等級要求,保障在雨雪運輸環境下的有效防護。測控系統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,能夠穩定工作于-30～50 ℃的環境溫度。通過上述合理有效的防護措施,能夠保證測控系統的穩定、可靠運行。

箱內環境智能控制策略以及智能視頻測控系統,保證了批量化衛星包裝箱環境的穩定保持。其中智能控制策略綜合箱內外溫度、濕度、壓差的變化,以及海拔、經緯度數據,實現空調設備、風機、充排氣的智能控制。智能視頻測控系統根據實時視頻的動態偵測及圖像識別,實現實時位置狀態的智能預警報警。

6 結束語

批量化衛星包裝箱在傳統衛星包裝箱具備減振、隔沖、恒溫、恒濕、恒壓等功能的基礎上,進行了針對性設計。批量化衛星包裝箱結構更加優化,牽拉系統能夠按照衛星接口進行適配性調整,采用衛星連接平臺、卷揚機、輪組等能完成衛星自動進箱和出箱操作,不需要使用吊裝設備進行包裝箱的開箱吊裝、合箱吊裝、衛星吊裝等操作,簡化了衛星裝箱流程,能夠在不具備吊裝條件的廠房內使用,擴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,對衛星質量變動不敏感,能夠滿足多種衛星型號,包裝箱通用性更強。包裝箱監控系統能夠在各種運輸工況及復雜環境條件下無故障穩定工作,完成儲運狀態智能控制,并且在包裝箱儲運過程中可實現數據遠程傳輸及故障診斷,確保衛星儲運過程狀態安全、可控。

批量化衛星包裝箱能夠適應批量化、大規模、低成本的理念,實現流水線式包裝、商業化運輸,以更低的成本、更快的速度投入市場。