浅析美国载人龙飞船配套系统：坚持安全性和低成本，满足NASA要求

导读

美国太空 探索 技术公司（SpaceX）的载人龙飞船（Crew Dragon）已于2019年3月成功执行首次无人飞行试验——一号验证任务（Demo-1），并正在执行始于2020年5月底的首次载人飞行试验任务——二号验证任务（Demo-2）。

载人龙飞船（Crew Dragon），原称“龙骑士”（DragonRider），是美国太空 探索 技术公司（Space Exploration Technologies Corp.，SpaceX）提出并设计制造的第二代“龙”（Dragon 2）飞船。

SpaceX不仅仅通过继承一代龙飞船——货运龙飞船（Cargo Dragon）的大量成熟设计，迭代出了载人龙飞船（Crew Dragon），还根据载人发射任务的需要和实际情况，为其设计或改造配套系统或基础设施，如猎鹰九号运载火箭、LC-39A发射台、回收船等。

一、猎鹰九号运载火箭

猎鹰九号（Falcon 9）运载火箭是SpaceX自主设计开发的中型两级液体运载火箭，采用液氧煤油推进剂，自2010年6月首飞，已成功完成80余次发射任务。同时，猎鹰九号火箭已陆续迭代数个版本构型，目前最新构型也是最后一个重大改进构型为构型5（Block 5）。

猎鹰九号构型5（Falcon 9 Block 5，F9B5）火箭承担载人龙飞船的发射任务。根据美国国家航空航天局（NASA）要求，F9B5在设计定型后需成功发射7次，以完成载人评级认证（Human-rating certification），为此SpaceX主要针对载人任务进行了多项安全性和可靠性的改进。

2018年5月11日，SpaceX顺利完成F9B5首飞任务——GPS三代星（GPS Block ⅢA）和“创世纪”（Berasheet）号月球探测器。

2018年12月23日，SpaceX顺利完成符合NASA要求、完整配置的F9B5首飞成功——第16次商业补给服务（CRS-16）。

1.一级设计改进

为应付NASA极高的载人安全要求，F9B5一级的Merlin-1D（梅林/隼-1D）发动机更换了新的涡轮叶片，针对微裂采用了高密度材料。

为降低类似2016年9月Amos-6卫星发射前静态点火事故可能性以及NASA安全性要求，Block 5型升级了推进剂贮箱增压氦瓶/复合材料压力容器（composite overwrap pressure vessel，COPV）——COPV 2.0，COPV 2.0不易积存冻氧和产生摩擦。

发射GPS三代星和“创世纪”号月球探测器的F9B5在一二级同时使用了符合NASA载人飞行认证要求的COPV 2.0，之前只有两发F9B5在二级采用了COPV 2.0。

除满足NASA载人任务要求外，SpaceX在可复用性上也做了多项改进：

◆格栅舵材料由铝合金升级为钛合金；

◆着陆腿由固定式、需人工拆除升级为可伸缩；

◆新型热防护涂层应用在级间段和着陆腿等；

◆发动机架由焊接升级为螺栓连接的Octoweb3.0；

◆发动机周边隔热层升级；

◆整流罩升级；

◆飞行控制、攻角和控制权限改进为其他零部件与允许预留更少推进剂就能完成回收着陆。

2.燃料加注程序

经过审查，NASA于2018年8月批准了SpaceX“注后即射”（load-and-go）的 *** 作程序申请。

该程序与SpaceX用于其商业补给任务（CRS）和卫星发射的燃料加注程序一致，即宇航员先登船再加注推进剂然后立即发射。如果一切按计划进行，发射当天，在宇航员到达发射台前，Faclon 9的COPV将装满氦气并验证其处于稳定状态。

然后，当发射系统处于静止状态时，宇航员将在发射前约2h登上载人龙飞船。在地勤人员离开发射台后，发射逃生系统将在升空前约38min启动。然后，SpaceX发射控制器将在发射前约35min开始加注火箭级煤油（RP-1）和液氧。

倒计时和发射准备工作可以在火箭发射前的最后一刻自动停止。无论在火箭发射前后，紧急情况下发射逃生系统将允许宇航员安全撤离。

图表：二号验证任务（Demo-2）发射前部分时序

采用“注后即射”（load-and-go），是因为SpaceX在猎鹰九号Block 5运载火箭上采取了推进剂增稠措施，采用了深冷技术，即将液氧温度从-183℃降至-207℃，将煤油温度从室温约20℃降至约-7℃，通过提高推进剂密度来提升火箭性能。

但NASA要求，采用该燃料加注程序需要增加额外的验证和演示方案，包括在搭载载人龙飞船的猎鹰九号Block 5火箭上进行5次乘员登船演练，以实现最终认证。上述登船演练已在Demo-2发射前完成，并验证了飞行乘组配置和乘员登船时间线。

二、发射台

载人龙飞船在美国佛罗里达州卡纳维拉尔角肯尼迪航天中心第39号A发射台（LC-39 Pad A，LC-39A）发射。LC-39A曾是已退役的土星五号运载火箭和航天飞机发射台。2014年4月14日，SpaceX和NASA签下长达20年的LC-39A独家租赁合同。

SpaceX针对载人发射任务，对LC-39A发射台进行了一定的改造，包括全新的登船摆臂/廊桥、紧急逃生系统，以及发射台附近的水平集成设施等。LC-39A的改造从固定服务设施（Fixed Service Structure，FSS）上移除超过50万磅（226.8吨）钢结构，包括曾经用于航天飞机有效载荷舱的旋转服务设施（Rotating Service Structure，RSS）。

同时，SpaceX还在LC-39A的FSS上增加新层数，以满足任务需要。此外，SpaceX设计建造了全新配置的发射台传焰道（flame trench）和液体推进剂加注设施。

1.登船摆臂/廊桥

登船摆臂（Crew Access Arm，CAA）于2018年8月在LC-39A发射台FSS安装完成，用于宇航员登上载人龙飞船，同时安装的还有相关的乘员支持设施。该摆臂长85ft.（25.9m），宽4ft.（1.2m），高8ft.（2.4m），海拔高度265ft.（80.7m），比原航天飞机配套摆臂安装高度高70ft.（21.3m）。CAA大部分为钢制，拥有铝制组件。摆臂全封闭，但两侧都拥有玻璃窗，通体以白色色调为主。

2.紧急逃生系统

2018年9月，SpaceX将LC-39A原先的紧急逃生系统（Emergency Egress System，EES）入口高度提升至与CAA一致，以帮助在CAA撤回前的宇航员和FSS上同平台工作人员等撤离发射架。LC-39A的ESS源于航天飞机时代，由7个吊篮组成，每个吊篮最多可容纳3人，吊篮可沿滑索受控减速下滑到距FSS上千英尺外的安全区域。

2020年4月3日，NASA和SpaceX联合团队完成了端到端的紧急逃生演练（Emergency Egress Exercise），证明了在紧急情况下LC-39A发射台上能够从FSS上安全疏散宇航员及工作人员的能力。演练中，在FSS高265ft.（80.7m）的位置，工作人员将模拟受伤人员装载到ESS的吊篮中，并安全滑下FSS，然后成功将模拟受伤人员安置到发射台外围的防雷埋伏防护（Mine Resistant Ambush Protected，MRAP）车辆中。

3.水平集成设施

SpaceX在LC-39A的FSS不远处修建了用于发射前准备工作的水平集成设施（Horizontal Integration Facility，HIF），并为采用火箭运输架设机（Transporter/Erector/Launcher，TEL或Transporter/Erector，TE）而铺设了HIF通往FSS的轨道。

三、回收船

GO Searcher（始于2016年）和GO Navigator（始于2018年）是SpaceX租用美国盖斯离岸公司（Guice Offshore LLC）并进行了改造的龙飞船回收船，专门用于载人龙飞船的回收和飞行乘组/宇航员的转移。其中，GO代表Guice Offshore。

GO Searcher为实现载人龙飞船回收和飞船乘组/宇航员出舱进行了三大硬件改进，包括直升机停机坪、疑似雷达或通信设备的圆顶设施和定制的液压升降机，并配有两艘用于快速搜寻的刚性外壳充气船（rigid-hulled inflatable boat，RHIB），以及紧急医疗设备。2018年11月，NASA宣布在GO Searcher上顺利完成直升机起降测试和发生宇航员紧急医疗情况下的应急演练。

此外，GO Searcher参与了2019年3月2日首次无人试飞——一号验证任务（Demo-1）的载人龙飞船的回收任务。

GO Navigator也采用了GO Searcher的相关改进设计。GO Navigator在2019年3月首次无人试飞——一号验证任务（Demo-1）的飞船回收和2020年1月的飞行中止（In-Flight Abort，IFA）试验中起辅助作用，并计划执行SpaceX首次载人试飞任务——二号验证任务（Demo-2）的飞船回收任务。

四、再入回收

轨道再入、溅落海面和回收是龙飞船着陆的三步。龙飞船将按照预先计划的轨迹重新进入地球大气层，直到落入回收区内的溅落区将被持续跟踪。溅落区是半径约为5.4n mile（10km)的圆。回收区位于美国墨西哥湾海岸线外至少15～140n mile（28～260km）的深水区，从得克萨斯州南部到佛罗里达州南部，完全位于美国专属经济区内。

墨西哥湾将成为发射自SpaceX得克萨斯州南部发射场（布洛斯维尔在建）的龙飞船飞行任务的可能降落地点，也是发射自佛罗里达州的龙飞船飞行任务的应急降落地点。溅落区将完全被回收区包围，不会延伸到其边界之外。龙飞船被设计为执行精确着陆，以保证最小化溅落区域和减少回收时间。

在再入和溅落前，载人龙飞船通过2个稳定减速伞和4个主伞减速。再入过程中首先展开的是减速伞，以保证在较大、较厚的主伞展开前控制飞船将速度降至无法破坏主伞。减速伞部署后不久将从龙飞船上释放，主伞将接替部署，而减速伞通常降落在距离龙飞船溅落位置1～2km的地方。

主伞将使龙飞船减速到约13mile/h（20.9km/h≈5.8m/s），以允许其在墨西哥湾的指定区域“软”溅落。龙飞船被设计成在溅落后漂浮在海面上，即一旦溅落，龙飞船会短暂地浸没在水中（约3ft./0.9m），然后立即漂浮在水面上等待回收。

溅落后，龙飞船上的电子定位信标将允许其被在预定位置的龙飞船回收船定位。首先，两艘在预定位置的刚性外壳充气船（rigid-hulled inflatable boat，RHIB）将到达龙飞船溅落位置，以评估龙飞船状况，评估将包括如果（人）吸入则会致命的超高浓度蒸汽检查等，并确保龙飞船处于直立向上且稳定的漂浮状态。

然后，回收船将抵达溅落位置，回收人员将把液压升降机放入水中，将龙飞船轻轻地吊离水面，并放置在回收船甲板上。如果龙飞船上有宇航员，一旦龙飞船安全地固定在甲板上，回收人员会为龙飞船准备乘员出舱程序。当飞船装载到回收船上时，RHIB将尽可能回收所有龙飞船再入部署的降落伞，包括主伞和稳定减速伞（虽有定位难度而仍在寻求解决方案）。

当龙飞船被固定在甲板上的机库中时，出口设备将被放置在龙飞船前方，飞船压力将平衡至大气压，侧舱门将被打开，宇航员将开始出舱。出舱后，宇航员将进入船上医疗评估区开始医学评估。宇航员和货物将通过直升机（如埃里克森S-64E或波音支奴干CH-47运输直升机）运送到最近的机场。在某些情况下，两架直升机可用来运送更多的宇航员。

墨西哥湾沿岸商业港口/码头可用于龙飞船的卸载作业，也可在位于卡纳维拉尔角港口的SpaceX设施或位于卡纳维拉尔角空军基地（CCAFS）的码头实施。

回收船到达港口后，龙飞船将被卸下并通过卡车运输到SpaceX设施进行进一步的飞行后处理。根据美国交通部（DOT）要求的SpaceX运输危险废物DOT许可证，SpaceX将确保所有加压罐体在运输前都减压至DOT规定的最大压力。

总结

SpaceX不仅仅研发出了载人龙飞船并成功载人飞行，还同时设计改造其他相关系统（如火箭）和基础设施（如发射台）。SpaceX在坚持安全性和低成本的基础上通过飞船的全程逃逸能力实现了“宇航员先登船后加注火箭推进剂”的 *** 作，尽最大可能满足NASA严苛的载人安全性要求，同时通过租借等手段保证了低成本运作载人发射任务的能力，并为其后开展的商业（低轨）太空 旅游 奠定了基础。

因每台汽车空调的型号，工况、管道长短，压力、定排量等因素不同而不能像家用空调一样有一个规定的充注量，所以在我们充注时，要根据不同的情况来定。从动力分类看一般汽车空调分为两种

独立空调系统

非独立空调系统

从制冷控制方式看汽车空调分为两大类：

定排量空调

变排量空调（俗称自动空调）

换装前的准备工作

1.了解该车的空调使用情况，空调效果 中途是否加注制冷剂，开启空调对动力影响是否大。

3. 开启引擎盖 仔细观察空调管路是否有漏，高低压阀口处是否有油渍，沾染较多的灰尘表示空调有泄漏现象，不能进行改造。观察并记录汽车的车型和原制冷剂充注量（如果车子无标示制冷剂铭牌，则在换装新型制冷剂时先按一罐开始充注，然后调试），找出空调高低压接口，再在车前的压缩机处接上压力表（高压接高压端，低压接低压端），然后记下车子未启动时的高压和低压压力。

2.上车发动引擎开启空调，注意观察.调节、出风口、风道、风速。准备好的两个温度计的感温头放在车内的空调出风口处。观察启动压缩机高低压是否稳定，声音是否异常。用手感觉回气凉不凉，待达到试运行时间后抄好原始数据

4. 仔细观察车子的压力变化，还有听风机启动跟停止的时间，在一阵时间内记录下风机从启动到停止的时间（这个时间在二十分钟内会循环的启动和停止几个次数），同时要记录的还有车内的温度，（车内温度还跟车外环境温度有关），一般的温度为7—10度较为正常，启动二十分钟后，记下温度的最低值，记下压缩机启动时的压力和风机启动时的压力后，看压力，低压压力一般在0.2Mpa左右,高压压力一般在10Mpa左右。出风口温度一般在6~9度之间。就可以熄火了。

加注空调制冷剂的方法、注意事项

加注空调制冷剂

（半自动制冷剂加注机）

注意事项

空调系统的运行效率和使用寿命，取决于制冷系统的化学稳定性。当制冷系统受到异物（如灰尘、空气或湿气）污染时，污染物会改变制冷剂和压缩机油的稳定性。而且，还会影响压力与温度之间的关系，降低工作效率，并可能导致内部腐蚀和元件异常磨损。

维修提示：

确保系统的化学稳定性请按如下方法 *** 作：

① 在打开接头前，先将接头处和接头周围的油污擦干净，减少油污进入系统的可能性。

② 在接头断开后，立即用盖帽、塞子或胶带封住接头两端，防止油污、异物和湿气进入。

③ 保持所有工具清洁、干燥，包括歧管压力表组件和所有替换件。

④ 用清洁、干燥的输送装置和容器来添加制冷剂油，尽可能保证制冷剂油不受湿气影响。

⑤ *** 作时尽可能缩短空调系统内部暴露在空气中的时间。

⑥ 空调系统内部暴露于空气后必须重新排空和加注。所有维修件出厂前都进行了干燥和密封。只有在即将进行安装时才能打开这些密封的零件。拆封前，所有零件应处于室温，防止空气中的水分凝结在零件上进入系统内部，并尽快重新密封所有零件。

加注机的检查和维护

说明：这里讲的空调制冷剂的回收与加注，是指用空调制冷剂加注机来进行 *** 作。

加注机一次连接就能完成空调系统排放、排空和重新加注程序。回收和排空期间都要过滤制冷剂，以保证向空调系统加注的制冷剂清洁、干燥。

市面上，加注机的形式很多。所有加注机都执行空调系统排放、制冷剂回收、系统排空、定量添加制冷剂油和定量重新加注制冷剂等各种任务。参见加注机使用说明书，掌握初始安装程序和维护程序。

*** 作图解：

控制面板的功能：维修技师可用加注机上的控制按钮和指示灯控制和监测 *** 作过程。要仔细阅读加注机使用说明书，包括如下内容：

● 主电源开关：主电源开关向控制面板供电。

● 显示屏：显示屏显示编程设定的抽真空所需时间和重新加注的制冷剂重量。

● 低压侧歧管压力表：该表显示系统低压侧压力。

● 高压侧歧管压力表：该表显示系统高压侧压力。

● 控制面板：它包括控制各种 *** 作功能的控制钮。

● 低压侧阀：该阀用于连接空调系统低压侧和加注机。

● 湿度指示灯：该指示灯指示制冷剂是否潮湿。

● 高压侧阀：该阀用于连接空调系统高压侧和加注机。

流程一：制冷剂回收

注意：厂家建议使用为加注机专门设计的制冷剂罐；加注机的防过充机构是专为使用这种制冷剂罐而校准的，而制冷剂罐的罐阀也是专门为该装置制造的。

01 将带快速接头的高压侧软管连接到车辆空调系统的高压侧接头上。

02 打开高压侧接头阀。

03 将带快速接头的低压侧软管连接到车辆空调系统的低压侧接头。

04 打开低压侧接头阀。

维修提示：

在回收过程中，如果系统中没有制冷剂了，这时，压力表指针显示负压，为抽真空状态，应立即停止回收 *** 作，否则会将空气吸入回收罐，甚至损坏回收机中的压缩机。

05 检查加注机控制面板上的高压侧和低压侧压力表，确保空调系统有压力。如果没有压力，则系统中没有可回收的制冷剂。

06 打开高压侧和低压侧阀门。

07 打开制冷剂罐上的气体和液体阀。

08 排空油液分离器中的制冷剂油。

09 关闭放油阀。

10 将加注机连接到合适的电源插座上。

11 接通主电源开关。

维修提示：

● 禁止将旧的制冷剂油和新的制冷剂油混合在一起。旧油中可能沉淀有铝或混有其他异物。重新加注空调系统时，务必使用新的制冷剂油。正确报废使用过的制冷剂油。

● 部分空调系统的润滑油可能会随同制冷剂一起被回收。回收的润滑油量不定。加注机能将润滑油和制冷剂分离，因此能确定回收的润滑油量。在重新加注系统时，要添加等量润滑油。

12 开始回收过程。参见制造商的使用说明书，详细了解加注机使用方法。

13 等候5min，然后检查控制面板低压侧压力表。如果空调系统保持真空，则回收完毕。

14 如果低压侧压力表从零开始回升，则系统中还有制冷剂。回收剩下的制冷剂。重复本步骤，直到系统能保持真空5min。

流程二：空调系统排空

加注机制冷剂罐必须装有足够量的R-134a 制冷剂以进行加注。检查罐内制冷剂量。如果制冷剂量不到3.6kg（各种车型有所不一，不是绝对数据，仅供参考），则向制冷剂罐中添加新的制冷剂。详见加注机使用说明书，了解添加制冷剂的方法。

① 检查高压侧和低压侧软管是否连接到空调系统上，打开加注机控制面板上的高压侧和低压侧阀。

② 打开制冷剂罐上的气体和液体阀。

必须先将系统排空，才能重新加注新制冷剂或经过再生处理的制冷剂。

③ 启动真空泵并开始排空程序。在回收过程中，不可凝结的气体（大部分为空气）自动从罐中排出。会听到泄压声。

④ 检查系统是否泄漏。

流程三：空调系统润滑油（冷冻油）的加注补充

必须补充回收期间从空调系统排出的润滑油。

① 使用专供R-134a 系统使用的带刻度的瓶装润滑油。

② 向系统添加适量冷冻油。

③ 当注入的油量达到要求时，关闭阀门。

维修提示：

采用单管加注，关闭低压阀（防液击），打开高压阀。

注意，切记盖紧润滑油瓶盖，以防湿气或污染物进入润滑油。这项 *** 作要求空调系统有一定的真空度，禁止在空调系统有正压时打开润滑油加注阀，否则会导致润滑油通过油瓶通气口回流。在加注或补充润滑油时，油面不可低于吸油管，否则空气会进入空调系统。

流程四：加注制冷剂

加注前先将空调系统排空。

① 关闭控制面板上的低压侧阀。

② 关闭控制面板上的高压侧阀。

③ 向空调中加注必需的制冷剂量，确保计量单位正确（即千克或磅）。

④ 开始加注。

*** 作图解：

进行单管加注，即关闭低压阀，打开高压阀。

加注完成后，根据界面显示，关闭快速接头，取下高、低压管。

流程五：制冷剂加注完成

01 关闭加注机控制面板上的高、低压侧阀，两个阀都应关闭。

02 启动车辆和空调系统。

03 保持发动机运行，直到高压侧压力表和低压侧压力表读数稳定。

04 将读数与系统规格进行比较。

05 检查蒸发器出口温度，确保空调系统的 *** 作符合系统规格。

06 保持空调运行。

07 关闭高压侧快速接头阀。

08 从车上断开高压侧软管。

09 在控制面板上打开高压侧和低压侧阀。系统将通过低压侧软管迅速吸入两条软管中的制冷剂。

10 关闭低压侧快速接头阀。

11 从车上断开低压侧软管。

维修提示：

如果制冷剂加注不成功，有时是由于进入空调系统的制冷剂没有达到总加注量。造成这种情况一般有以下两个原因：

● 加注机制冷剂罐压力与空调系统的压力差不多，这将导致加注过程过慢。

● 制冷剂罐中没有足够的制冷剂进行加注。对此，必须从车辆中回收已加注的部分制冷剂，然后将空调系统排空，给制冷剂罐添加制冷剂，最后再重新加注。

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