□ 韩美燕 □ 许 宁 □ 杨斌元 □ 于 鹏
天津航天机电设备研究所 天津 300458
航天卫星搭载了大量高精度、高灵敏度的科学仪器,对于环境灵敏度高。因此,在卫星地面总装、电测、试验阶段要求,厂房具备特定的温湿度、洁净度等环境条件。卫星研制完成后需要由研发产业基地运输到发射场,就需要配套专用的包装设备为卫星持续提供适宜的储运环境。
近年来国内外商业航天活动迅速发展,低轨通信卫星系统的建设可为军、民、商各类用户提供支持智能终端的移动通信,以及互联、物联数据服务。国内多家企业纷纷推出了自己的商业卫星批量化生产计划,部分公司已发射了数颗卫星。
批量化卫星包装箱是实现卫星储运的专用设备,能够为卫星提供减振、隔冲、恒温、恒湿、恒压、保洁、防尘、防雨、防静电等环境条件,并且包装箱具备连接固定、行走、吊装、紧固等功能,能够适应卫星储运环节所涉及的安装、厂房内移动、运输紧固等使用需求。
批量化卫星包装箱由主体结构、牵拉系统、减振系统、升降行走系统、测控系统等组成。箱体是包装箱各功能部件的安装载体,箱体为气密性结构,能够为卫星提供防尘、防雨、高洁净度的储运环境。牵拉系统用于实现卫星与包装箱的紧固安装,连接平台组件上可预留多组卫星接口,适应多种规格卫星安装,增强设备通用性。减振系统实现包装箱运输过程中减振、隔冲功能。行走系统可以实现包装箱短距离移动功能。测控系统用于温湿度控制系统、压力控制系统等的综合闭环控制,并能够实现对包装箱内部温度、湿度、压力、运输经纬度、海拔等数据的采集记录。通过远程诊断功能,测控系统可以实现包装箱储运数据的远程传输及故障联动报警。批量化卫星包装箱系统组成框图如图1所示。
▲图1 批量化卫星包装箱系统组成框图
批量化卫星包装箱箱体设计为侧开门结构,箱门与箱体通过合页、搭扣连接。箱内接口组件位于箱体内部,减振系统安装于包装箱箱体与底架之间,升降行走系统位于底架四角,测控系统硬件设备集中安装于箱体一端便于线路布局。批量化卫星包装箱整体布局如图2所示。
▲图2 批量化卫星包装箱整体布局
与传统卫星相比,批量化卫星具有低成本、短周期、大批量等突出特点。为适应批量化卫星生产模式,批量化卫星包装箱采用牵拉系统实现卫星连接平台从箱门处自动牵拉进入箱内、牵拉出箱功能,卫星装拆全过程均不涉及吊装操作,卫星装箱方式更加高效、便捷。牵拉系统由卫星连接平台、连接平台装箱导轨、卷扬机、滑轮组、固定座等组成,如图3所示。
卫星连接平台上部为卫星接口,设计过程中充分考虑接口的通用性、兼容性,预留多组接口安装孔和连接座,连接座一端与卫星接口匹配,另一端为连接架通用接口,不同规格的批产卫星可通过匹配连接座与连接平台安装固定。卫星连接平台前后端面安装钢丝牵拉点和螺接固定座,两侧面分别安装两个导轨轮。
包装箱箱体底部两侧对称安装两条平行导轨,卷扬机安装于包装箱箱底前端,滑轮组与卷扬机钢丝绳位置对应,在包装箱箱底前端、后端分别安装。
▲图3 牵拉系统
牵拉系统由伺服电机带动卷扬机作为动力部件,机械传动部分主要由钢丝绳、滑轮组、卷筒组、三合一驱动装置等组成。钢丝绳、滑轮等采用表面镀锌处理,滑轮外有滑轮罩保证钢丝绳不跳槽。卷筒采用单层缠绕方式,卷筒上有绳槽,防止钢丝绳跳槽,卷筒外设有压辊,防止钢丝绳松弛状态下脱槽。驱动装置具备断电抱闸功能和手动释放功能,驱动电机轴端预留手动接口用于电控控制出现故障时的应急操作。卷扬机筒装有编码器,可编程控制器根据编码器反馈随时跟踪连接平台位置,同时可编程控制器收集控制指令,控制连接平台进箱、出箱和暂停动作,可保证指令和位置有效配合。卷扬机采用双出线方式,两侧卷筒出线经由滑轮组引导后与连接平台对接,分别控制连接平台进箱、出箱操作。当卷扬机右旋转动时,进箱卷筒引导进箱钢丝绳带动进箱滑轮组作收绳动作,出箱卷筒引导出箱钢丝绳带动出箱滑轮组作放绳动作,卫星连接平台进入箱体内部,实现卫星装箱操作。当卷扬机左旋转动时,出箱卷筒引导出箱钢丝绳带动出箱滑轮组作收绳动作,进箱卷筒引导进箱钢丝绳带动进箱滑轮组作放绳动作,卫星连接平台自箱体内部出箱,实现卫星出箱操作,牵拉系统工作原理如图4所示。
▲图4 牵拉系统工作原理
连接平台两侧安装的导轨轮采用单边法兰轮形式,连接平台在牵拉行进过程中,导轨轮沿导轨上表面滚动行进,导轨轮法兰与箱内导轨侧壁配合导向,防止连接平台牵拉行进过程发生偏转,导轨轮定位状态如图5所示,卷扬机同步精度不大于±2 mm,重复定位精度不大于±4 mm,满足极限工况连接平台对位紧固要求。
▲图5 导轨轮定位状态
减振系统用于对箱内安装的卫星减振,是保障卫星运输安全的重要功能之一。批量化卫星包装箱设计要满足公路、铁路、航空、海运等多种运输方式,并且包装箱主要在室外环境条件下存储、运输,因此选用工作温度范围宽,耐腐蚀,对周围环境影响不敏感的不锈钢钢丝绳减振器作为减振元件。根据额定减振载荷以及包装箱底部安装空间尺寸条件,选择16个减振器采用45°安装的方式,安装于箱体和底架之间,减振系统结构如图6所示。
钢丝绳减振器静载变形曲线如图7所示。由图7可知,该钢丝绳减振器的刚度变化较大,钢丝绳减振器静刚度见表1。钢丝绳这种较大刚度的变化使钢丝绳减振器非常适合用于隔冲环境,但对于航天器运输的
▲图6 减振系统结构
小量级振动来说,钢丝绳减振器存在工作点不易设置的问题,较小的承载质量变化就可以导致其静刚度明显的变化,使得减振系统的系统频率变化较大,不利于系统设计和提升减振效果。为保证减振效果,需将减振系统减振载荷控制在一定的范围内。批量化卫星包装箱减振系统安装于箱体和底架之间,其额定减振载荷的组成部分包括包装箱箱体、牵拉系统、卫星,以及箱体安装件等部分。构成减振系统额定减振载荷的各个组成部分中,包装箱箱体及其部组件质量占比较大且稳定不变。卫星质量占比较小,卫星质量变化对整体减振载荷的影响小。此种包装箱减振系统设计安装方式允许卫星质量在一定范围内变化,提高了包装箱装载适应性,更适合于批量化卫星装载使用。
测控系统硬件主要由传感器、工控机、通用串行总线数据采集卡、输入/输出模块、摄像机、硬盘录像机、测控客户端、无线蜂窝模块等部件组成,如图8所示。通用串行总线数据采集卡通过通用串行总线接口连接到工控机上,用来将采集到的温度、湿度、压力、振动数据传输给工控机,工控机将数据存储在硬盘上,采用断点续传方式实时将工控机内的数据同步在测控客户端上,实现数据双备份,保证数据的完整性及安全性。输入/输出模块通过RS 485通信协议接口连接到工控机上,实现控制风机和充排气电磁阀动作、实时显示空调运行状态及参数设置等操作。摄像机将图像传输给硬盘录像机,硬盘录像机在存储的同时,也将实时图像传输给测控客户端,供操作人员实时观看。所有数据通过无线蜂窝网络,将数据包发送到云端,通过手机、平板电脑等终端在线监视,实现系统的远程实时监视及故障的远程联动报警,供远端的技术人员掌握最新数据,提高故障解决效率。
▲图7 钢丝绳减振器静载变形曲线
表1 钢丝绳减振器静刚度
▲图8 测控系统硬件组成
每次传送数据量大,这些数据包括温度、湿度、压差、海拔、经纬度、速度、振动、冲击、视频等多种类的数据,为后期的数据综合分析提供了丰富的数据源。通过分析总结数据,可以掌握运输路线上的温度分布、雨水分布、路面情况,可作为后续运输控制策略的制定依据,实现结果指导设计,设计优化结果,为系统的安全稳定运行提供专业指导。
测控系统采用先进的数据检索方式,对运输过程中各参数的最大/最小值、超限报警值、运输全程数据曲线图、运输路径轨迹等信息,均可由一键快速生成运输分析报告功能来实现。
测控系统的稳定性设计不仅从数据的稳定性、完整性出发来考虑,还在系统的安全防护以及环境适应性、系统可靠性方面进行了着重的设计。
测控软件基于LabVIEW软件开发,可以实时显示通用串行总线数据采集卡的各种参数瞬时曲线、趋势曲线、数值、超限报警提示。通过Modbus TCP协议及容错设计,可以很可靠地和输入/输出模块、空调系统进行通信。通过摄像机的二次开发控件,将视频集成于测控界面,具有良好的可视效果。
测控系统设计有看门狗以及健康状态监测,能保证长于15 d的连续无故障运行时间,可实现长距离公路、铁路、航空、海运运输实时监测。
测控箱采用了防水密封箱体及防水航空插座的设计,满足IP56防护等级要求,保障在雨雪运输环境下的有效防护。测控系统通过选择宽温器件及通过合理的器件布局,能够使热量聚集处快速散热,能够稳定工作于-30～50 ℃的环境温度。通过上述合理有效的防护措施,能够保证测控系统的稳定、可靠运行。
箱内环境智能控制策略以及智能视频测控系统,保证了批量化卫星包装箱环境的稳定保持。其中智能控制策略综合箱内外温度、湿度、压差的变化,以及海拔、经纬度数据,实现空调设备、风机、充排气的智能控制。智能视频测控系统根据实时视频的动态侦测及图像识别,实现实时位置状态的智能预警报警。
批量化卫星包装箱在传统卫星包装箱具备减振、隔冲、恒温、恒湿、恒压等功能的基础上,进行了针对性设计。批量化卫星包装箱结构更加优化,牵拉系统能够按照卫星接口进行适配性调整,采用卫星连接平台、卷扬机、轮组等能完成卫星自动进箱和出箱操作,不需要使用吊装设备进行包装箱的开箱吊装、合箱吊装、卫星吊装等操作,简化了卫星装箱流程,能够在不具备吊装条件的厂房内使用,扩大了包装箱适用范围。包装箱采用外减振形式载荷范围更广,对卫星质量变动不敏感,能够满足多种卫星型号,包装箱通用性更强。包装箱监控系统能够在各种运输工况及复杂环境条件下无故障稳定工作,完成储运状态智能控制,并且在包装箱储运过程中可实现数据远程传输及故障诊断,确保卫星储运过程状态安全、可控。
批量化卫星包装箱能够适应批量化、大规模、低成本的理念,实现流水线式包装、商业化运输,以更低的成本、更快的速度投入市场。
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