陆军装备物资无伞空投系统设计

王铁宁， 刘 磊

(陆军装甲兵学院装备保障与再制造系， 北京 100072)

军队装备物资的运输保障是执行作战、训练和非战争军事行动的重要基础。近年来，空投运输方式因其方便快捷的特点得到了快速发展和广泛应用。随着陆航力量的不断建设完善，陆军装备物资投送也越来越多地通过直升机空中投送来完成，并主要采取有伞空投和机降2种方式，但这2种方式都有其自身的不足，其战场适用性不够强：有伞空投方式前期准备时间长，时效性不强，易受风力、风向及高大树木等地面环境的影响，且物资散布面积广，投送的装备物资不易快速集中形成战斗力，容易被敌方发现甚至攻击；机降方式对地面条件要求较高，需要有一定面积平整坚硬的地面来实现机降，丛林、沙漠、厚雪、沼泽、不平整山地等地面都无法实现机降，且机降投送时间较长，在没有绝对制空权的情况下，投送的安全性相对较差。因此，国内外学者根据新的作战形势开展了无伞空投(airdrop without parachute)的相关研究[1-3]。笔者对直升机100～300 m高度低空无伞空投方式进行了研究，为在短时间内迅速实施精准投掷并快速集中投掷物资，进而形成战斗力提出了理论参考。

1 需求分析

无伞空投是指装备物资不系降落伞，直接从飞行器上投掷的方式。其具有准备时间短、投送迅速、包装简单、受气象影响小、着陆散布小、可重复利用等优点，是世界各国普遍关注的研究方向，也是未来作战行动中装备物资保障方式的发展趋势。构建装备物资无伞空投系统需要解决2方面问题：1)设计可用于无伞空投的包装箱，实现在100～300 m高度无伞空投药品、食品、装备器材、油料等军用装备物资,通过使用缓冲外包装材料进行保护，保证空投装备物资的实用性、安全性和可靠性；2)研发装备物资无伞空投信息平台，实现空投物资的管理、定位和识别。

由于无伞空投要求装备物资以自由落体的方式从高空投至地面，落地速度达到44.7～77.5 m/s。在这样高速的冲击下，要确保包装箱内装备物资的完好无损，对装备物资包装箱的抗冲击性能以及内衬的缓冲性能均提出了很高的要求，这也是实现无伞空投难以攻克的问题之一。赵西友等[1]借助数值模拟和高空跌落，研究了液体类食用物资无伞空投的缓冲包装，通过对缓冲包装材料的选择和包装方式的设计,实现了200 m高空的无伞空投。同时，战时的时效性要求也很高，需要在尽量短的时间内寻找到投送的装备物资并快速识别包装箱内的物资种类和数量，以便快速形成战斗力。这就需要研制一套能对无伞空投装备物资进行定位识别的辅助系统，来提高装备物资保障的准确性和时效性。

2 装备物资无伞空投包装箱设计

2.1 包装平台任务分析

无伞空投系统设计是以空投中、小件装备物资的实际需要为依据，充分考虑军队物资保障系统、空运系统和空投技术保障条件，重点解决系统模块组合应用技术和多样化使用设计方案。无伞空投系统设计应遵循以下6项原则：

1) 以战为主，平战两用，适合空运空投；

2) 综合配套，符合通用化、系列化、组合化相关要求[4]；

3) 分体与组合使用应具备互换性，满足多样化使用需求；

4) 系统本身应具有缓冲减震性能，满足空投时的抗冲击过载；

5) 具有自动定位、寻找功能，操作简单、使用方便等特点；

6) 注重装备的安全性、可靠性和可维修性。

2.2 包装箱体设计

2.2.1 箱体材料选择

为了有效实施无伞空投，首先应考虑将装备物资准确安全地投放到预定区域内，保障空投后的物资完好可用。在着陆瞬间，空投系统需要承受很大的冲击载荷，对无伞空投包装材料提出了更高要求，其强度、减震缓冲性能、抗冲击性能、工作环境、温度适应性能等均为关键参数。因此在选材上应选用耐锈蚀、耐高低温、防水防潮、重量轻、刚性强、韧性好的新材料。

经分析论证，笔者选取某新型专用、超轻、高抗冲、高分子复合材料作为无伞空投箱体材料。该材料基体为复合聚乙烯弹性树脂，同时添加抗老化剂、增韧剂、抗氧剂和润滑剂等，经多次配方调整以及压力、振动、跌落、耐高低温等试验验证，材料的密度、维卡软化度、抗冲击性、熔体流动速率、拉伸强度等性能符合冲击要求，同时具备耐高低温、重量轻、成本低、刚性强、韧性好的特点。箱体运用滚塑工艺整体成型，强度较弱的部位用金属预埋件加强，在强度、自重等方面均可满足要求。

2.2.2 箱体尺寸设计

无伞空投包装箱体外形尺寸设计应以现役的中、小件空投系统为基础，综合考虑不同机型的货舱尺寸、侧导轨有效工作间距，以及各类装备物资器材的重量、体积的需要[5]，且符合GJB182B—2013《军用物资直方体运输包装尺寸系列》[6]标准，满足模块化组合、多样化使用的要求。为此，笔者设计了3种规格箱体尺寸：1 200 mm(L)×800 mm(W)×600 mm(H)、800 mm(L)×600 mm(W)×500 mm(H)、600(L) mm×400 mm(W)×500 mm(H)。

2.2.3 箱体结构设计

为满足装备物资无伞空投的快速投送需求，从以下5个方面考虑箱体结构设计：

1) 箱体结构采用盖、体分离组合结构形式，4侧配以不锈钢锁扣，锁扣强度高、结构简单、操作方便快捷，单手可完成锁紧、分离操作，在投送时，辅以一次性高强聚酯纤维带，捆绑锁紧，保证箱体锁紧牢靠，方便无伞空投系统多次重复使用；

2) 箱体两侧设置金属提手，满足人力搬运要求；

3) 箱体上顶部和下底部分别设计凸起和凹槽结构，保证堆码稳固牢靠，同时可加强箱体强度，增强箱体抗压及承重能力；

4) 箱体安装压差调节透气阀，保障箱体在高海拔落差及气压变化的情况下箱盖开合顺畅；

5) 盖、体合口处采用舌槽式密封结构形式，中间压缩密封胶条，实现箱体密封，隔水、隔潮。

2.3 包装箱冲击试验论证

在无伞空投过程中，当箱体落地时会受到很大冲击。箱体能否承受如此大的冲击是无伞空投方式是否可行的一个关键因素，对此，笔者所在研究小组进行了试验论证：假设箱体为双线性各向同性强化模型，并通过试验获取材料参数，包括密度、弹性模量、泊松比、屈服强度和硬化模量。

1) 建立显式动力学模型，运用Abaqus CAE软件进行仿真试验，并根据有限元理论[7]对箱体模型进行网格划分，如图1所示。

设定包装箱为弹塑性体，在300 m高空条件下定义正向初速度，并假设包装箱下落过程中无旋转，只有垂直方向的速度，如图2所示。

2) 建立地面模型，根据有限元理论划分地面模型网格，如图3所示。在设置地面参数时，由于在实际空投操作中，不同类型的地面(如土地、草地、砂石地、山地等)，对箱体造成的冲击力差别较大。为此，笔者选取对箱体冲击力较强的地面类型，假设地面为完全固定的各向同性三维刚体，杨氏模量为19e，泊松比为0.16。

3) 运用Abaqus CAE软件进行仿真试验，可以得出箱体落地与地面点接触、线接触时三维坐标方向的等效应力，如图4、5所示。

根据式(1)可求得箱体落地时可承受的综合等效应力(单位为MPa)为

(1)

式中：σ1、σ2、σ3分别为在坐标轴3个方向上的正应力。当σmises≤σ许用值时，表示箱体可以承受冲击，其中σ许用值通过实物试验得出。

3 装备物资无伞空投信息平台设计

3.1 信息平台架构

图6为无伞空投系统平台架构，主要包括服务器端、包装箱端和手持终端。服务器端运行空投后台信息管理系统和包装箱定位系统。其中:后台信息管理系统负责维护物资目录等基础信息、管理空投任务和所有用户；包装箱定位系统负责实时接收包装箱定位信息，并通过空投后台信息管理系统发送到手持终端。

包装箱端安装GPS/BD定位设备、二维码和RFID射频标签。定位设备接收到导航卫星的定位信息后，通过内置SIM卡定时发送到服务器端；二维码记录定位设备的IMEI(International Mobile Equipment Identity)，是定位设备的唯一标识；射频标签内记录的编码是包装箱的唯一标识。

手持终端运行空投APP，使用者包括后方作业人员、空投人员和需求点作业人员3种角色。后方作业人员通过APP进行物资装箱；空投人员通过APP空投物资；需求点作业人员通过APP定位、识别和接收空投物资。

3.2 业务流程

图7为无伞空投系统业务流程。

1) 后方作业人员通过后台信息管理系统创建空投任务，选择所需物资器材；

2) 从相关仓库中调拨所需物资器材，借助手持终端进行装箱，依次扫描包装箱射频标签、定位设备二维码和物资条码，并将三者关联；

3) 装箱完成后，通过直升机执行空投，全部物资空投后，后方作业人员通过后台信息管理系统更新空投任务为“已投放”，并通知需求点开始接收；

4) 空投执行后，需求点作业人员借助手持终端定位包装箱位置，并通过扫描射频标签识别箱内物资，确认接收物资；

5) 物资接收完毕后，后方作业人员通过后台信息管理系统结束空投任务，完成本次空投。

3.3 信息平台总体功能

无伞空投信息平台由后台信息管理系统和手持终端APP两个子系统组成，如图8所示。

3.3.1 后台信息管理子系统

该子系统包括系统管理、基础信息管理和空投任务管理3个模块。其中系统管理包括用户管理、角色管理、机构管理和菜单管理4个子模块。用户管理实现用户的添加、编辑和删除功能，用户信息包括编号、姓名、单位、角色、登录密码等；角色管理实现角色的添加、编辑和删除功能，角色分为管理员、后台作业人员、需求点作业人员和空投作业人员4种；机构管理实现部队单位信息的添加、编辑和删除功能；菜单管理实现系统相关菜单的配置功能。

基础信息管理即对装备物资的管理，实现装备器材物资类型的维护和装备器材物资的添加、编辑和删除功能。其中装备物资类型设为3级目录，物资信息包括编号、类型、规格、计量单位、单价、长、宽、高、重量等。

空投任务管理包括执行整个任务所需的6项功能：1)新建空投任务，包括编号、名称、创建时间、空投时间、完成时间、空投地点、当前状态(新建、已装箱、已空投、已完成)、空投物资明细(任务编号、物资编号、物资数量)等；2)编辑空投任务，修改任务名称、空投时间、物资明细；3)删除空投任务，删除新建且尚未执行的空投任务；4)生效空投任务，生效后的空投任务才可以进行物资的装配，物资装备完成后，空投任务修改为已装箱，物资空投执行后，修改空投任务状态为“已空投”，通知需求点接收物资；5)结束空投任务，需求点完成接收后，修改空投任务状态为“已完成”，结束空投任务；6)查询空投任务，按时间、状态等属性，查询历史空投记录。

3.3.2 手持终端APP

手持终端APP主要实现3方面的功能：1)空投物资装箱，浏览当前新创建的空投任务，选择其中某一项空投任务，扫描包装箱射频标签，扫描定位设备二维码，逐一扫描物资条码装入箱内，将三者关联，待所有物资装箱完成后，空投任务状态修改为“已装箱”。2)空投物资定位，在手持终端地图中显示所有已空投未接收的包装箱的所在位置。3)空投物资识别与接收，通过地图导航找到包装箱后，扫描空投箱上的RFID射频标签，显示箱内物资信息，同时确认接收包装箱，并在地图上标记该包装箱已接收。

4 结论

通过深入分析当前空投方式及空投物资垂直配送的现状及存在问题，设计了无伞空投系统并对其可行性进行论证，对我军在当前条件下进行空投物资配送形式改革有一定的现实意义和参考价值。下一步将继续进行装备物资包装箱无伞空投模拟仿真试验和实物试验，进一步改进包装箱的材料、结构以及装备物资装箱的组合方法，搭建无伞空投信息平台，并验证设计方案的可行性。