H-3火箭问题频出影响日本抢占航天发射市场

  近日据日本《朝日新闻》报道，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）联合三菱重工业开发的H3火箭原本于今年内发射升空的计划基本确定被延期进行，这已经是火箭因为新型引擎出现一些明显的异常问题后的第二次延期。

  H3运载火箭是日本研发的一款以商业发射为目标、提高市场竞争力的大型火箭，根据日方此前公布的太空基本计划，H3将在2023年后完全取代自上世纪90年代以来一直作为主力箭种使用的H2A和H2B火箭。2013年5月，日本内阁府ONSP航天运输系统委员会向日本政府提出研制H3新一代航天运载火箭的建议，2014 年1月日本政府批准H3火箭研制经费预算总额为19亿美元。

  作为H2火箭的继承者，H3由两级组成的芯级采用三菱重工建造的氢氧发动机，不过与H2A第一级采用单台LE7A发动机并捆绑至少2台固体火箭助推器不同，H3可配备0台、2台或4台助推器，并采用2台或3台LE9一级发动机，以便能把更多种类的有效载荷发往范围更广的轨道。在H3四种配置中，最大的63米长、574吨重、地球同步转移轨道（GTO）载荷能力为7.9吨，而其升级改进型可能在未来用于月球任务。

  值得一提的是，H3火箭所采用的LE9发动机是世界上第一种百吨级采用开式膨胀循环技术方案的发动机。膨胀循环发动机的原理，是利用冷却推力室和被加热的氢作为涡轮工质和能源，驱动涡轮，带动氢、氧泵对推进剂进行增压，涡轮做功后的氢全部进入推力室，与氧在推力室内燃烧使化学能转变为热能，经喷管加速排出，将热能转化成动能，由此产生推力；整一个完整的过程无额外推进剂和能量损失，故也被称为“最优动力循环”。目前各国的膨胀循环发动机一般都会采用性能较高的闭式膨胀循环方案，涡轮的工作能源来自推力室身部换热，涡轮做功后的氢全部进入推力室燃烧，涡轮的压比较小，因此受推力室身部换热能力和涡轮压比的限制，发动机推力往往不高，所以大都被用于中小推力的上面级。而开式膨胀循环采用将涡轮做功后的氢气引入喷管下游的低压区，可大幅度提升涡轮压比，这样就大幅度提高涡率与发动机的推力。

  日本在开式膨胀循环发动机的研发领域建树不少，H2系列火箭上面级的LE5A 和LE5B发动机都使用了开式膨胀循环技术，其中采用LE5B作为上面级的火箭曾经先后出现两次飞行事故，但二级发动机 LE5B都在预冷不充分和箱压不足的不利条件下正常起动并稳定工作，意外地证明了开式膨胀循环发动机具备极高的启动健壮性和工作可靠性，因此也坚定了日本在开式膨胀循环发动机技术道路上进一步深入发展的信心。

  三菱重工对H3运载火箭可谓满怀希望，按照三菱的说法，H3火箭发射成本低，只有原来H2A火箭价格的一半，约为3亿人民币，因此日本认为该火箭未来将在发射市场中占有一席之地。不过H3研发过程却一波三折。资料显示，三菱重工早在2014年的技术论文中就重点强调LE9的超长燃烧室（便于热交换设计）设计特点导致其振动问题比LE7A严重。JAXA和三菱重工原本的目标是在2020年底前举行首次发射仪式，执行TF1任务（载荷为先进光学卫星），但在2020年5月对LE9引擎做试验时，燃烧室内壁破裂、涡轮上也出现了裂痕，随后日方对涡轮的设计进行了调整，同年夏天新设计的引擎再次做试验，但仍没能成功。

  2020年11月据日本航天局证实，H3运载火箭的首次发射被推迟，原因是火箭主引擎的燃烧室和涡轮泵发现了问题。据称，在燃烧室内壁和涡轮泵的FTP叶片的开孔区域确认了疲劳断裂面，开发机构随即进行了测试，以查明燃烧室问题的原因，并正在采取补救措施。燃烧室内冷却将得到加强，燃烧顺序将根据试验结果重新检查。而涡轮泵的FTP叶片孔区疲劳断口的产生经分析认为是由共振引起的，可能是发动机振动与火箭结构的共振频率的匹配性设计不合理。当时JAXA表示将重新设计涡轮，以排除所有工作范围内可能会产生共振的结构特征值，其效果将通过叶片振动测试得到证实。

  2021年1月三菱重工把H3首飞用芯级运到了种子岛航天中心。3月JAXA把火箭转运到发射台，以进行包含倒计时和推进剂加注环节但发动机并不点火工作的一次加注合练。合练采用的是一级发动机的试验型号，看上去进展顺利，涡轮泵没再次出现损坏，但JAXA官员称工程技术人员发现存在一些可能会有问题的振动。到了6月，振动问题有所改观，但却又发现了被描述为涡轮颤振的一个新问题，相关处置工作一直持续到秋天，工程技术人员安装了阻尼器，并做了旨在消除振源的一些调整。

  客观而言，保证液体火箭发动机涡轮泵正常工作一直是航天界的一个难题。因为液体火箭发动机涡轮泵的工作环境十分恶劣，不但要在高温、高压和高速条件下工作，还浸泡在常温、低温、或超低温的易燃、易爆、剧毒、强腐蚀性的推进剂中；同时,涡轮泵是液体火箭发动机的主要激振源之一,承受着范围宽广的动、静载荷。所以涡轮泵易发生故障,也是航天工程师的重点“监控”目标之一。现在H3最初的发射计划已经推迟了1年多，虽然日方不断对引擎的设计做修改并测试，但是有关问题仍未得到解决，JAXA仍不知道重新设计的涡轮泵是否会管用。而目前H3火箭全箭点火试车仍有待进行，具体日期也尚未确定，因此火箭发射再次延期就在情理之中了。

  此次JAXA理事长山川宏称，虽然H3团队对首飞在两年里第二次被推迟感到不快，但“在设计敲定前采取适当措施被认为是必要的”。H3新的首飞日期尚未确定，不过JAXA官员称，首飞不会早于今年4月，但有望不晚于明年3月进行。