某飞行器铁路运输环境测试系统研究

魏小林 刘 勇 吴 跃 张 璁

(北京航天计量测试技术研究所，北京 100076)

某飞行器铁路运输环境测试系统研究

魏小林 刘 勇 吴 跃 张 璁

(北京航天计量测试技术研究所，北京 100076)

介绍了基于分布式采集的运输环境数据综合采集系统，实现了某飞行器经铁路运输到发射阵地的振动、冲击、温湿度等环境参数的实时监控测量，后续通过车载分析系统对采集的海量测试数据进行自动批处理，得到振动测量数据的时域和频域分析、温湿度及车速等信息。测量分析数据表明，经过减振处理的火车运输支架对飞行器运输起到很好的减振效果，保障了运输过程中产品的安全性。

飞行器 运输 减振 采集

1 引 言

飞行器在运输过程中必然要经受运输力学、温湿度等环境的考验。通常运输的方式有多种，运载火箭一般采用铁路或轮船进行运输，卫星通常采用铁路、公路运输[1]。不同的运输方式所诱发的环境参数也存在较大差异，有时会对运载火箭等飞行器上的精密部组件造成损伤，故一般配备专用的运输保温箱体，并在敏感的位置安装加速度传感器、GPS、温湿度传感器等设备对飞行器支架的敏感位置进行力学环境[2]、湿度等参数的实时监控,以保证产品在运输过程中的安全。采集过程中，采集设备分别安置在不同级的箱体内，将传感器安装在飞行器敏感的测量位置，然后通过线缆插接在采集器上，采集设备的供电通常由乘务车的发电机组进行供电，实时采集的测量数据由网线传输至乘务车的笔记本电脑，由监测人员实时监控飞行器在运输过程中的运输环境变化。

基于某飞行器铁路运输的分布式数据采集分析系统，能够完成力学数据、温湿度数据、经纬度数据的采集、储存和分析。有效实现了某飞行器分级运输，同步采集的能力，并且支持长时间海量数据的存储。在完成全部的数据采集后，可实现力学测量数据的时域、频域信号分析，全程的速度测量数据分析以及温湿度数据分析。分析结果可直接用于评价铁路运输过程中飞行器的力学环境是否满足指标要求，从而指导铁路平板保温运输箱的减振结构的改进设计。

2 基于分布式采集的运输环境数据综合采集系统

由于某飞行器的体积庞大，在铁路运输的过程中，分一级和二级两部分拆分运输，分别通过上下包环固定在专用的保温运输箱内，在包环的内壁安装有橡胶减振材料，防止在运输过程中带来较大的冲击和振动。基于分布式运输环境数据综合采集系统主要由UPS电源、AC/DC转换电源、笔记本电脑、网络交换机、网络硬盘、数据采集系统、GPS、振动传感器、冲击传感器、应变传感器、温湿度传感器、电缆和数据采集分析软件构成。其中UPS电源、AC/DC转换电源、笔记本电脑、网络交换机、网络硬盘、GPS放置在乘务车厢中，二级保温运输箱内和一级保温运输箱内各放置1套数据采集系统及各种传感器。乘务车中穿出2根电源电缆分别接入两个运输箱中，乘务车中穿出2根通讯电缆也分别接入两个运输箱中，两个运输箱之间穿一根同步电缆，如图1所示。

运输环境测量系统利用车载220V交流电源进行供电，车载电源经过UPS电源为笔记本电脑、网络交换机和AC/DC转换电源供电，避免乘务车载电源掉电后影响数据采集，AC/DC转换电源为数据采集系统和加速度传感器供电。两个运输箱内的多个冲击传感器、振动传感器、应变传感器、温湿度传感器分别对相应测试点处的冲击、振动、应变、温湿度参数进行测量。

由两套数据采集系统分别对两个运输箱内的多个传感器进行采集，由机箱同步模块和同步电缆实现两套数据采集系统的同步采集；数据采集系统通过网络交换机将数据传送给笔记本电脑和网络硬盘，网络硬盘可以实现数据实时存储备份，避免笔记本中的数据丢失造成测试失败。笔记本电脑作为整个运输环境测量系统的主控端服务器，通过TCP/IP向两套数据采集系统发送命令控制开始、停止采集等，并存储采集的数据，利用测试数据分析软件可以实时监控数据采集是否正常有效，并在测试结束后通过测试数据对相关的参数进行计算和分析，笔记本电脑同时采集GPS的数据并存储，用于记录对应的行车时间、车速、道路条件。采集系统工作原理框图如图2所示。

2.1 传感器测点布置

根据飞行器运输标准的要求，运输过程中监测冲击振动传感器可布置在与飞行器相接触包环的附近，尽量靠近飞行器，如需要了解减振前后飞行器的受振动冲击的力学响应情况，可在飞行器某敏感的位置安装传感器，通过频域分析得出敏感频率的响应情况。在二级保温箱的前端安装有温湿度传感器，监测箱内的温湿度变化情况，以便控制箱内的空调运转。一级采集器和二级采集器分别安装在各自的保温箱中，通过同步电缆连接，同步采集振动信号，并将数据存储在笔记本电脑和网络硬盘中。运输环境测点分布如图3所示。

2.2 数据采集系统配置

采集系统中的一级从采集器、二级主采集器、电脑和网络硬盘通过交换机组成局域网，在启动采集系统后，为采集器及存储器分配IP地址，分别进入主采集器和从采集器的设置界面进行振动传感器和冲击传感器对应的采集通道的灵敏度配置，以及温湿度传感器和GPS相关参数的设置。一般数据采集系统的采样频率设定按照需求直接固化在采集系统中，飞行器一般力学测量要求为：振动信号测量范围(0.5～200)Hz[3]，(0～15)g，冲击测量范围为(0.5～200)Hz，(0～30)g。在信号采集时，采样频率至少

大于输入信号的2倍，因此飞行器运输监测一般选择振动冲击信号采样频率500Hz，这样可以满足采集频率响应要求。

3 采集数据分析

运输结束后，需要对采集的监测数据进行数据分析。数据采集分析软件是基于图形化编程软件LabVIEW软件，具有LabVIEW开发平台的完整功能，利用这种集成的软件构架可自由的定义和创建功能强大的测量和控制系统。运输过程中采集的信息包括振动、冲击、速度、地理位置、温湿度及应力应变等信息。

(1)在乘务监测车厢配备了GPS，可以实时采集列车运行的经纬度及其计算火车行进速度，并与振动冲击信号进行同步采集，可实现与力学测量数据的多维分析。在分布式采集软件中，实时显示经纬度和车速信息，并将数据存储在电脑和网络硬盘中。以横坐标时间为同一横坐标轴，振动和冲击测量的最大值，可以在分析软件中对应当时的经纬度和车速，便于分析是否由于刹车，铁道接缝等原因带来的振动加强。运输结束后可根据GPS的经纬度信息的指导，在振动冲击较大的路段，适当预先降低车速，减小振动和冲击对飞行器的损伤。

(2)在分析软件中选择关注的测点通道，设置查询时间段，可对监测数据的整个历程进行自动批处理，无需手动查询，大幅度提高处理效率。

(3)采集分析软件能够获取粘贴在飞行器敏感位置的应力应变，运输保温箱中的温湿度变化，整个运输过程中的振动的极大值及均方根值以及冲击响应情况。

4 采集数据处理实例

某飞行器从装配厂房通过铁路运输运至试验靶场，总体监测要求需记录全程振动、冲击、温湿度、经纬度、速度和敏感位置应力应变的数据，采集振动及冲击的加速度频率为500Hz。通过对全程数据的监控和分析，火车的行进速度不超过80km/h,保温箱内温度控制在0℃～20℃之间，振动加速度峰值不超过1g，冲击加速度峰值不超过2g，满足某飞行器铁路运输对运输环境的要求。如图4所示。

5 结束语

基于分布采集的运输环境参数综合采集分析系统，能够采集并分析某飞行器从总装厂到发射试验阵地铁路运输过程中的力学、温湿度、速度等环境数据，并可在乘务监控车厢实时观测测量结果，了解实时环境数据。根据全程数据分析结果可得出：

(1)从测量结果可得出某飞行器运输支架测点的垂向(Z向)大于横向(X向)的振动，这与列车的运输状态相符，如列车经过铁轨接缝或路面不平时均会引起垂向振动。

(2)一级和二级运输支架的振动冲击量级响应基本一致，而二级中间位置无包环的辅助支撑处的振动量级大于前后支撑架处的振动量级，这与辅助支撑的支架活动结构有关，其结构强度较弱，并且配备升降调节机构，故振动幅度较大。

(3)一级和二级运输支架配备弹簧隔振器和橡胶减振垫[4]，使运输振动的高频减振效果较为显著，有效的降低了振动冲击对产品的影响。

[1] 马兴瑞，韩增尧等编写.卫星与运载火箭力学环境分析方法与试验技术[M].北京：科学出版社，2014.

[2] 杨晓伟.振动校准现状及发展综述[J].宇航计测技术，2000(6)：41～47.

[3] 祝亚宏，刘广通等.航天器运输的力学数据采集、存储和分析方法[J].航天器环境工程，2014，31(5)：564～567.

[4] 丁文镜.减振理论[M].北京：清华大学出版社,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， 工程师,研究方向：飞行器成像载荷结构设计。

1000-7202(2017) 02-0058-04

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.02.12

TH825

A