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用 方 舱 综 邵治良 (空军第二研究所) 一、概 述 方舱是一种军用的刚性矩形装载体,其容积是固定的或可扩展的,用于安装、运输及在其 中操作各类军用设备,并为 备提供环境保护,可以采用陆、海、空等多种运输工具运输。 方舱做为一种装载工具,具有适用范围广、运输方式灵活,经济效益好等优点,在外军 中已得到广泛应甩,在某些装备领域中,已成为主要灼装载形式,而且其应甩范围,仍在继 续扩展中。在国内,为了解决厢式车辆装载体制带来的底盘积压损坏等问题 通过70 ̄f:代的 探索、酝酿,在认真分析外国经验的基础上,于8O年代韧,开始了我国方舱装载体制的研制 及发展工作 目前,方舱装载体制已得到各有关方面的重视和肯定,可以予见,在未来十年 中,方舱在我国必将得到长足的发展。 方舱是在50年代初由美军首先研制发展的,目的是解决在侵朝战争中,军用地面电子设 备在运输及使用中所遇到的问题。即采用散装件装载,运输过程中易丢失损坏,到达指定盘 置,设备的组装调试要很长时问;临时构筑物——帐捆或活动房屋等,不能提供良好的工作 环境,影响设备的可靠性。 早期方舱的探索主要有两个方面,即舱板的结构技术和方舱的结构形式。 在舱板结构技术方面,为了减轻舱体质量,美军较早地采用了大板结构。先后发展了两 种大板;牛皮纸蜂窝铝蒙皮大板(简称HC大板)与泡沫一梁一铝蒙皮大板(简称F B大板)。 由于蜂窝大板因潮气入侵造成脱层,并导致舱体强度大幅度下降的问题很难解决,目前,较 普遍地采甩FB型大板。 在结构型式方面,美军首先发展了用于电子设备舶不可扩展式方舱,以后又发展了用于 大型设备或系统的可扩展式方舱。所谓不可扩展式方舱,指方舱的运输容积与使用运输相 同。可扩展式方舱则使用(展开后)容积大于运输容积,二者之比称为扩展比。 在50年代末至6O年代期间,美军先后发展了几种轻型通甩电子设备方舱,如S一138, S一1 41,S-250,S一280等。图1是S一280方舱的外型图,该方舱是美军使甩数量最多的方舱 之一。 为了解决大型系统的装载问题,美各军兵种根据各自的需要,先后发展了各种类型的可 扩展方舱,如美空军的S一514及S一515电子设备修理及备件方舱(扩展比为3:2),美陆军发 展的可折送型高可扩展方舱(扩展比7:1),美海军陆战队发展的可拆卸方舱,美海军发展 1 维普资讯 http://www.cqvip.com
安垒孔 r髓 图1 蔓¥280方舱外型图(单位 英寸) 一 + 罩面可扩展式÷ 不可扩l晨式 一双面可扩展式 黼她2 维普资讯 http://www.cqvip.com
图3 用蜂窝板2.5同扩展方舱组成的具有60A床位的医院 的可拼装方舱等等。这类方舱的出现,大大扩展了方舱的应用范围,它即可以装载单一的小 设备,也可以用若干方舱组成一个任意容积的装载体,用于大型系统。图2是用可组装方舱 组成的大型指挥控制中心。图3是由扩展比为2.5的蜂窝板方舱组成的具有60个床位的野战 医院。图4是S一5】4方舱展开示意图。 西欧各国从6O年代开始发展自己的方舱,并首先应用在军用电子设备上。通过实际,方 舱装载体制的优越性进一步为人们所认识和肯定。因此,在从6O年代末至8O年代初的装备更 新中,方舱在西欧得到了更大的发展和广泛应用。如北约为了解决方舱运输的通用性,专门 制定了北约方舱尺寸系列J西德则结合第二代军用越野汽车的研制及换装,专门研制了适用 于二代车雕总质量为2t及5t的两个方舱系列。为了推动方舱的发展及保证产品质景,北约还 专门制订了方舱的军用标准。 目前,方舱已广泛用于指挥控制、电子、侦查、军械及装备维修、备件、医院、炊事、 生活等各个领域。 纵观近4O年代的方舱发展史,可以概括如下:50年代开始研制,6o年代发展壮大,7O年 代横向发展,8O年代广泛应用。 3 维普资讯 http://www.cqvip.com
图4 S一514电子维修方舱展开示意图(扩展比3:2) 二、方舱的类别和型武 目前对方舱还没有一个统一的分类规定。为了便于分析研究,本文根据作战使用要求, 从以下三个方面对方舱进行分类;基本战术技术功能、装载功能、运输方式。 4 维普资讯 http://www.cqvip.com
1.按基本战术技术功能分类可以分为电子设备方舱,普通方舱和特殊用途方舱。 电子设备 一①射频抑制(RMI)型 方 舱 l-防核电磁脉冲(NEMP) 军用 l-③高级(密闭全空调) 方舱f一 型普通方舱一I④中级(空调或强制通风) L⑤低级(强制或自然通风) 特殊用途 ⑥特殊要求型(防弹……) 方 舱 L⑦专用方舱 2.按装载功睡分类可以分为不可扩展式与可扩展式两大类。前者是目前使用数量最 多的方舱,后者则为开拓方舱的使用范围,创造了良好条件。 3.按运输方式分类可分为IS0型和非IsO型两大类。 ISO型方舱除必需采用ISO规定魄集装箱尺寸系列、接I:1型式外,并且要求方舱能够承 受ISO规定的集装箱运输方式及承载要求,如堆码,海上摇摆等等,但并不要求方舱具有 IsO规定的额定荷载。 t ̄iso型方舱,即不属于上述要求的方舱。目前,绝大多数的方舱,包括具有集装糟系 列尺寸的方舱,均属于这一类。这类方舱可同时具备或部分具备以下的运输要求:卡车运 输、船运、飞机运输、直升机吊运、叉车运输、机动轮运。 三、方舱的可运输性 方舱必须适应多种运输方式,因而可运输性就成为方舱必须具备的重要性能。 方舱的可运输要求包括:方舱能适应各种通用运输工具的装载要求,并具备在远离基地 或野战条件下,变换运输模式的能力。 图5 C—l30运输机货舱最小通过截 爆6 运八货舱最小通过截面(实测值, tMIL—HDBK一368) 5 维普资讯 http://www.cqvip.com
1.方舱能适应各种运输工具的装救羹求为了达到这个目的,方舱的外型尺寸必需受 到各种通用运输工具的约束,同时,舱体应能经受各种运输状态下的荷载。 卡车运输是方舱最基本、最主要的运输方式,因此,方舱的长度及宽度常常取决于制式 军用卡车的货台尺寸,总重量则取决于卡车的额定载重量。 空运是方舱的重要运输方式。美军及西欧各国使用的典型运输机是C一230,其货舱的最 小通过截面见图5。图6是实测的运八货舱的最小通过截面,它对装载物的最大外廓高度提 出了约束。美S 280方舱及北约规定的方胎尺寸质量系列见表1。 袁 l 型 号 长Illm 额定最太总质量kg S一280 3733 2194 2927 NATO I 3810 2110 3OOO NATOI 381O 2110 4500 NATOI(1) 2160 178O 1500 NATOI(2)} 2340 1886 需要指出的是,当前除一些大型方舱较普遍采用ISO的Ic集装箱尺寸(6058mm×2438 mIll×2 438ram)外,对中小型方舱还没有一个统一的尺寸和质量系列,美军没有,NATO 有个标准(如上表),但德、法、意、英各国都有自己尺寸系列,各厂家均有不同尺寸的产 品。出现这种情况的原因是: a.每个国家军甩运输汽车载重系列不同,货台尺寸不同,导致方胎的尺寸及重量难于做 到国际标准化; b.方舱的装载工具,因此在保证 可运输 前提下,首先要满足设备的要求,设备的需 要(特别是在孔口的设置方面)是千差万别的,这也给方舱的国际标准化带柬困难。 上述两点也是方舱与集装箱的重要区别。方舱的特点是一次使用性,即使是一台通用性 很强的方舱,一旦装入某种设备,则在该设备的全寿命期间,方胎很少有可能再装其它设 备。迄今为止,这也是未能实现方舱尺寸重量系列国际标准化的根率原因。 除尺寸重量外,不同的运输工具还要求舱体能承受不同的荷载,有些荷载还是很苛刻 的,例如铁路运输对方舱产生的瞬时冲击可能扁达40g。另外,运输方式不同,方舱的受力 状态,受力点也不一样,因此方舱的舱体,部件、零件的设计就需要根据多工况的分析结 果,按取大的原则进行设计。 2.方舱借助附属设备雌完成工作模式的转换方舱没有行走能力,要完成从驻地到运 输或不同运输模式间的转换,必须借助外部设备或其它辅助装置。除大型装卸机械(如吊 车、自装卸运输车、叉车)外,做为附属设备配属于方舱,有装卸调平机械以及机动轮等。 装卸调平机械中最简单的是千斤顶,一般采用手动调平,也有采用液压自动调平的。对 于可拼装方舱,采用了支柱下端带有滚轮的调平千斤顶,滚轮可在型材制造的轨道上移动,以 维普资讯 http://www.cqvip.com
解央两舱对接时,接缝的对准及压紧问题。另一种是在原地装卸方舱的装卸机构,它是一种 带有支撑悬臂结构及大工作行程的千斤顶,用于从卡车上装卸方舱。操作方式有液压、电 动、手动多种方式,以手动为主,西德Haac。n公司生产静升降机构,包括4个容量级别, 形成从2.5 2Ot的一个系列(见表2)。 表 2 装卸机构一般采用快速装卡件与方舱连接,不用时卸下,以减少运输体积。也有些设备 为了装卸方便,将装卸机拘固定在方舱上。还有一种带行走轮的装卸机构,它是在装卸机构 的下部装上轮子(充气的或铁轮子),它除用于装卸方舱外,还可利用轮子调整方舱的位 置。这类机构由于承载条件比较恶劣,因而结构的自重较大。 机动轮运输是方舱的重要运输方式之一。方舱安装机动轮后,类似拖车,对于小型设 备,将很方便的组成一牵一拖的机动组台。机动轮由独立的前后桥组成,除具备地面行驶所 需各种装置(转向、悬挂、信号、刹车等机构)外,还装有升降机构,可将方舱从地面 举 至行驶高度。机动轮在不使用时,前后桥对装在一起,便于贮存。机动轮的悬挂装置以空气 弹簧使用较多,也有用油气悬挂或叶片弹簧的,升降机构大部分采用手动液压。由于机动轮 具有升降方舱及越野功能,可以独立完成陆一空运输的转换,因此,除小型方舱外,一些大 型方舱也经常采用。 四、舱体结构和评价指标 舱体结构与方舱的可靠性、寿命、费用有直接关系。从降低全寿命费用考虑,对于不同 的设备,应采用不同结构的方舱,以提高效费比。目前,国内外市场可供应的不同结构的方 舱及典型产品见图表。 从使用角度看,评价舱体 进性的技术指标有三:衙重比、单位容积重最、空间利用系 数。 维普资讯 http://www.cqvip.com
结 构 典型产品 一 『_型钢骨架、钢板或胶台 法Cadr e JVC及西德MAN/Do11方舱 骨 { 架J 板蒙皮 i 式i一型钢骨架、铝蒙皮 瑞典PST0/R及我国F.4方舱 『 Il _铝型材骨架、铝蒙皮 法Cadre JVB方舱 ! 蜂 f大 窝一牛皮纸芯、铝蒙皮 美Gichner医疗方舱 方 l 板 —I板一I{ l 舱Il J泡I■玻璃钢蒙皮、泡沫芯 比Baeten PB7601方舱 式j { (型材框架) II一 沫Ll 铝梁、铝蒙皮、泡沫芯 美Graig¥280方舱 L 板卜无粱,泡沫芯、铝蒙皮 焚马可尼方舱 I 一钢框架、铝蒙皮大板 我国红7方舱 荷重比的定义是方舱额定荷载与自重之比。由于方舱的结构型式不一,荷重比的差别很 大,低的如法国GIAT公司生产的Gadre JVA方舱(法军用于二、三线机动机械及电子设 备维修用),荷重比只有1.5,自重2000kg,重量5000kg。高的达到6以上,如英马可尼生产 的NATO I型方舱。一般说,大板方舱的荷重比要高于骨架式,但数值很离散,国外五家 方舱厂生产的粱-泡芯大板式电子设备方舱的荷重比统计值见表3。 裹 3 荷 重 比 厂 家 国 别 平均值 Craig 美 国 3.77 兰2.5 J 0.8 Gich11e r 美 国 3.31 一 Piag ̄io 意大利 2——I—1.—05—— Zeppe1in 西德 5.67 1?88 j 1?21 Marc0ni 英国 6.3 1.97I 单位容积重量是指方舱所提供的单位容积所需要的舱体重量,该指标首先在美军标 MIT—STD一907“可扩展式及不可扩展式方舱工程设计准则”中舱以体外表面单位面积舱壁 重量的形式规定的。 我们按方舱内表面面积做了统计,结果觅表4。 8 维普资讯 http://www.cqvip.com
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空间利用系数是指方舱静内部容积(使用空间)与外部体积(占用空问)之比。对于一 些中小型方舱,由于外部体积受到运输工具的严格约束,如何尽力提高空间利用系数以达到 在有限的容积内提供尽量大的使用空间,就成为重要的设计目标之一。空间利用系数除与设 计、工艺有关外,特别涉及到方舱外表面突出物的处理手法。图7是采用rs(]集装箱角贝件 接口型式的几种方舱结构示意图,由图可以看到因设计手法不同,占用空间也不一样。 以上三个参数,各自从一个方面体现了方舱技术的先进性。但在发展、设计或选用方舱 时,还要从垒葡期费用、维修性、效费比等各方面综合考虑。 皮蛋 |1) …碱(肴)马可尼(英) 图7 采用15o接口尺寸的上角件的不同结构形式 五、方舱的可靠性及维修性 方舱的基本功能是环境保护和可运输胜,因此,方舱的可靠性及维护性要求也着重围绕 着这两个方面。 1.方舱的可靠性 目前还未见到方舱失效率的数学模型,无法对此做定量分析,但从 有关资料,可以对此进行一些定性的讨论。例如,美军在r0年代末曾对本土现役方舱敞了抽 样统计粱一泡沫型方舱367台,蜂窝板方舱85台,抽样数分别占同类方舱总数的1 和3 。这 方舱是在I 965 ̄1977年生产出来的。统计时将故障分为如下六类。 脱层结构粘台面的分离,主要发生在蒙皮和隔热材料之问。 锈发故障 由系吊索具、树枝等造成的损坏及人员过失造成的损坏。 密封失效密封剂硬化、龟裂或与蒙皮裂开。 潮气入侵因渗入水汽造成铝蒙皮腐蚀穿孔。 铆固螺母失效方舱外部用于安装千斤顶或机动轮的铆固螺母,因锈蚀和秘垢无法使 用 叉车损坏叉连搬运方舱时,造成舱壁或滑撬的损坏a 上述故障的统计值如下: 故障类型 粱一泡沫方舱% 蜂离板方舱 脱层 45 32 锈发损坏 36 2O 密封失效 15.5 13 10 维普资讯 http://www.cqvip.com
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级(基地)进行的维护。这两级维护可分为预防性维护和必要性维护两大类。前者是为了保 证方舱的使甩性能而进行的计划的维护保养及零件更换。后者是在设备受到损坏后进行的修 理。 方舱(仅指舱体)是一个结构简单的机械产品,它 预防性维护大致有两个方面。 a.为防止锈蚀而定期进行的表面涂敷。 b.为保证舱体密闭性而对密封条进行定期更换。 对于电子设备方船,保持密闭性是维护的重点,而舱门又是最重要的部位。为了保证舱 体的密闭性,大部分方舱的密封镶条(水密及电磁屏蔽镶条)均设计为可更换的,压装到『丁 及门框型材的沟槽中,以便于更换(见图8)。如意大利Piaggio公司生产的EMp方舱,为 了保证良好的气密性和电磁屏蔽性靛,除规定要定期清洗镶条及沟槽外,气密胶条及电磁密 封条通常每一年宜更换一次。 方舱的必要性维护通常仅限于舱板在受到意外损坏的情况下(撞瘪、戳穿)修复,包括 修补方法的设计和修补器材的准备。国外常以修理箱的方式随方舱提供,也可单独供应,以 解决皎接剂的储存期问题。 3.方舱的寿命设备的寿命是个很复杂的问题。就方舱而言,主要是首返期和总寿 命,前者指方舱自生产出来至第一次进厂大修(“整旧如新 )所经历的日历持续时间。后 者指从生产出来后,经预计的几次大修直至报废的日历持续时间总和。在总寿命相同的条件 下,首返期与修理费之间的分析确定,是提高方舱全寿命效费比 重要方面之一。由于方舱 是装载工具,在考虑这两个寿命时,应服从下列两个原则: a.方舱的首返期不应短于设备的首返期; b.方舱的总寿命不得低于设备的总寿命。 美军规定方舱的设计总寿命是l5年。根据我军装备服役期较长的特点,我们对电子设备 方舱 设计寿命要求为20年,首返期及维修内容视不同设备要求而定。 总之,根据寿命要求而进行的维护项目、维护程序、维护周期、易损件备件等的设计和 安排以及修理方法、修理工具、修理器材的设计和安排,就构成了方舱维护性设计的主要内 容,它是为保证方舱能长期处于工作良好状态,在发展和研制新型方舱时不可缺少的内容之 战场环境防护和方舱技术的发展 随着方舱广泛使用,战场环境防护问题日益受到人们的重视,为提高方舱在战场环境中 生存能力的各种技术措施,也促进了方舱的发展。 战场环境防护的主要内容包括核沾染及生物化学武器(简称NBC)防护,电磁脉冲 (EMP)防护,防弹及核加固三者o 1.NBC防护NBc防护的研究始于6O年代,由于它是以战剂形态通过与人体接触 (皮肤、呼吸)起到杀伤作用的,因此就需要在方舱内创造一个与战剂隔离的“清洁”的环 境,即将舱内与舱外隔离,输入舱内的空气经过过滤。执行这项使命的设备是集体保护设备 (CpE),它是一个单独的具有气泵及各种过滤装置的独立设备,可以固定在舱内做为方 12 维普资讯 http://www.cqvip.com
软管 图9 装有模式化集体保护系统的美“爱围者”地空导弹电子没备方舱 舱的附属设备,也可以做为外置式,根据需需安装。图9是安装了模式化CPE的美 爱国 者 地空导弹电子设备方舱(s28 o)的示意图。舱内采用正压保护,当舱内外压差小于20m (196Pa),设备即开始报警。 Bc防护对舱体本身的要求就是方舱应具备良好的气密性, 空气泄漏量要小。美军部分方舱的气密性要求见表5 表 5 I空气泄漏量 标; 号 方舱娄型 舱内外压差HIm水柱 ,. MIL—S一55541 】 一———————— S一250 —————— 150(1 470Pa) l 0.5 1————MIL_S一55286 j 一——S-280 一,…———— I MIL—STD一907【一不可扩展式 一 一 可扩展式 2.EMP防护7.6(75Pa) 1 0.56 电磁脉冲是核爆蚱的产物,它是由被Y射线电离后的大气中的自由电子 与地球磁场相互作用而产生的,对半导体器件及微电子没备具有极大的破坏作用一一电击 穿。其作用范围随爆炸的高度而异,如果在200公里高度爆炸一颗百万级当量的核弹,其破 l3 维普资讯 http://www.cqvip.com
坏半径可达一千公里以上。电磁脉冲的特点是上升时问快,电场强度高,约在数十微秒范围 内,电场强度可达到50KV/m,另一特点是频带宽,从目 十赫兹直到1GHz。为了防护电磁 脉冲,要求提高方舱的电磁屏蔽性能。如为了提高方舱外表面的导电性,则所有固定的金 搭接、对接部位均采用熔焊。设计具有高衰减性能的滤网。为了保持及加强门缝的密闭性, 出现了三点外置式门铰和三点滑滚式(或凸轮式)门销等一系列新工艺和新设计 需要指出的是,提高舱体的电磁屏蔽性能只是问题的一个方面,设备的抗电磁脉冲能力 是系统设计的综合体现,它与进出方舱的各类导线滤波设计及地线系统设计密切有关,只有 统盘考虑,采用综合措施,才能取得预期的效果。 3.防弹及棱加固对方舱的防弹及核加固研究及取得进展是在7O年代后期,因为,在 此之前,没有找到合适的材料——即能达到防弹要求又使方舱保持可以接受的荷重比,这种 材料旆是杜邦公司于6O年代中研制出来,并于70年代投入工业生产的凯夫拉(Kevlar,垒 称为聚对苯二甲酰对苯二胺纤维)。厚度为4.8mill的五层凯夫拉,其防弹能力相当于步兵 头盔。根据防弹要求,选择厚度适当的凯夫拉——环氧增强复合板,经截割后,铆装在方舱 外壁上(或采用贴层的方法),即完成了方舱的 装甲 。要求具有核加固能力的方舱,脒 蒙皮外大板内还要增加增强件,以抵御可能经受的超压。为了抵抗热辐射的影响,舱板最外 层铺设玻璃纤维增强材料制造的烧蚀层。尽管这类方舱目前使用的还不多,但它的出现从另 一个方面推动了方舱设计及制造技术的发展。目前,商品核加同方舱已经达到的性能大致如 下: 超压(冲击波)0.7kg/cm。 热脉冲(Ya辐射) 110Cal/cm 上升时间2s 弹片4g,500m/S EMP及RFI屏蔽 >60dB NBC防护 由于加固,舱体婚重量明显增加,如美国Gi chncr公司的N-j050方舱,尺寸与¥250相 同,但重量增加了57 。美Gi chner公司生产的¥280—10PSi方舱的重跫,比¥280增加了一 倍以上。 为了解决设备在核爆炸的情况下的生存问题,除采用核加周方舱外,设备本身的结构设 计及选材,也必须能充分适应核爆炸对方舱所形成的巨大冲击。根据美陆军弹道试验室做的 多次试验表明,在爆炸试验后方舱仍保持完好的前提下,所测得的方舱内壁表面的瞬时加速 度值为1000g,最大值可达到1500g,面对爆炸方向方舱壁面_的内凹变形达1O公分。这无疑对 设备的原器件选择,减震设计及布局设计提出了极为严酷的要求。 方舱问世E,30余年了,它不象坦克,一出世便先声夺人,也不象集装箱那样名闸遐迩。 做为“附属”在设备上的装载工具,方舱已悄悄地改变了设备的装载面貌,并大大提高了这 些设备随行作战的机动能力。另一方面也应看到,装载工具的发展,经常落后于设备发展的 需要,国内是这样,国外也类似情况,在发展方舱时,这个问题值得我们重视。