H-3火箭問題頻出，影響日本搶佔航天發射市場_風聞

作者：蘭順正

首發自:《中國航天報》

編輯近日據日本《朝日新聞》報道，日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）聯合三菱重工業開發的H3火箭原本於今年內發射升空的計劃基本確定被延期進行，這已經是火箭因為新型引擎出現問題後的第二次延期。

H3運載火箭是日本研發的一款以商業發射為目標、提高市場競爭力的大型火箭，根據日方此前公佈的太空基本計劃，H3將在2023年後完全取代自上世紀90年代以來一直作為主力箭種使用的H2A和H2B火箭。2013年5月，日本內閣府ONSP航天運輸系統委員會向日本政府提出研製H3新一代航天運載火箭的建議，2014 年1月日本政府批准H3火箭研製經費預算總額為19億美元。

作為H2火箭的繼承者，H3由兩級組成的芯級採用三菱重工建造的氫氧發動機，不過與H2A第一級採用單台LE7A發動機並捆綁至少2台固體火箭助推器不同，H3可配備0台、2台或4台助推器，並採用2台或3台LE9一級發動機，以便能把更多種類的有效載荷發往範圍更廣的軌道。在H3四種配置中，最大的63米長、574噸重、地球同步轉移軌道（GTO）載荷能力為7.9噸，而其升級改進型可能在未來用於月球任務。

值得一提的是，H3火箭所採用的LE9發動機是世界上第一種百噸級採用開式膨脹循環技術方案的發動機。膨脹循環發動機的原理，是利用冷卻推力室和被加熱的氫作為渦輪工質和能源，驅動渦輪，帶動氫、氧泵對推進劑進行增壓，渦輪做功後的氫全部進入推力室，與氧在推力室內燃燒使化學能轉變為熱能，經噴管加速排出，將熱能轉化成動能，從而產生推力；整個過程無額外推進劑和能量損失，故也被稱為“最優動力循環”。目前各國的膨脹循環發動機一般採用性能較高的閉式膨脹循環方案，渦輪的工作能源來自推力室身部換熱，渦輪做功後的氫全部進入推力室燃燒，渦輪的壓比較小，因此受推力室身部換熱能力和渦輪壓比的限制，發動機推力往往不高，所以大都被用於中小推力的上面級。而開式膨脹循環採用將渦輪做功後的氫氣引入噴管下游的低壓區，可大幅度提高渦輪壓比，這樣就大幅度提高渦輪功率和發動機的推力。

日本在開式膨脹循環發動機的研發領域建樹不少，H2系列火箭上面級的LE5A 和LE5B發動機都使用了開式膨脹循環技術，其中採用LE5B作為上面級的火箭曾經先後出現兩次飛行事故，但二級發動機 LE5B都在預冷不充分和箱壓不足的不利條件下正常起動並穩定工作，意外地證明了開式膨脹循環發動機具有很高的啓動健壯性和工作可靠性，因此也堅定了日本在開式膨脹循環發動機技術道路上進一步深入發展的信心。

三菱重工對H3運載火箭可謂滿懷希望，按照三菱的説法，H3火箭發射成本低，只有原來H2A火箭價格的一半，約為3億人民幣，因此日本認為該火箭未來將在發射市場中佔有一席之地。不過H3研發過程卻一波三折。資料顯示，三菱重工早在2014年的技術論文中就重點強調LE9的超長燃燒室（便於熱交換設計）設計特點導致其振動問題比LE7A嚴重。JAXA和三菱重工原本的目標是在2020年底前舉行首次發射儀式，執行TF1任務（載荷為先進光學衞星），但在2020年5月對LE9引擎進行試驗時，燃燒室內壁破裂、渦輪上也出現了裂痕，隨後日方對渦輪的設計進行了調整，同年夏天新設計的引擎再次進行試驗，但仍沒能成功。

編輯2020年11月據日本航天局證實，H3運載火箭的首次發射被推遲，原因是火箭主引擎的燃燒室和渦輪泵發現了問題。據稱，在燃燒室內壁和渦輪泵的FTP葉片的開孔區域確認了疲勞斷裂面，開發機構隨即進行了測試，以查明燃燒室問題的原因，並正在採取補救措施。燃燒室內冷卻將得到加強，燃燒順序將根據試驗結果重新檢查。而渦輪泵的FTP葉片孔區疲勞斷口的產生經分析認為是由共振引起的，可能是發動機振動與火箭結構的共振頻率的匹配性設計不合理。當時JAXA表示將重新設計渦輪，以排除所有工作範圍內可能產生共振的結構特徵值，其效果將通過葉片振動測試得到證實。

編輯2021年1月三菱重工把H3首飛用芯級運到了種子島航天中心。3月JAXA把火箭轉運到發射台，以進行包含倒計時和推進劑加註環節但發動機並不點火工作的一次加註合練。合練採用的是一級發動機的試驗型號，看上去進展順利，渦輪泵沒有出現損壞，但JAXA官員稱工程技術人員發現存在一些可能會有問題的振動。到了6月，振動問題有所改觀，但卻又發現了被描述為渦輪顫振的一個新問題，相關處置工作一直持續到秋天，工程技術人員安裝了阻尼器，並做了旨在消除振源的一些調整。

客觀而言，保證液體火箭發動機渦輪泵正常工作一直是航天界的一個難題。因為液體火箭發動機渦輪泵的工作環境十分惡劣，不但要在高温、高壓和高速條件下工作，還浸泡在常温、低温、或超低温的易燃、易爆、劇毒、強腐蝕性的推進劑中；同時,渦輪泵是液體火箭發動機的主要激振源之一,承受着範圍寬廣的動、靜載荷。所以渦輪泵容易發生故障,也是航天工程師的重點“監控”目標之一。現在H3最初的發射計劃已經推遲了1年多，雖然日方不斷對引擎的設計進行修改並測試，但是相關問題仍未得到解決，JAXA仍不知道重新設計的渦輪泵是否會管用。而目前H3火箭全箭點火試車仍有待進行，具體日期也尚未確定，因此火箭發射再次延期就在情理之中了。

此次JAXA理事長山川宏稱，雖然H3團隊對首飛在兩年裏第二次被推遲感到不快，但“在設計敲定前採取適當措施被認為是必要的”。H3新的首飛日期尚未確定，不過JAXA官員稱，首飛不會早於今年4月，但有望不晚於明年3月進行。