2022年02月22日 10:00
【科學快訊】
不久前，據日本媒體報道，日本宇宙航空研究開發機構聯合三菱重工研制的H-3新一代運載火箭因發動機出現問題，原本於今年一季度發射升空的計劃確定被延期，這也是該火箭因發動機問題在一年多時間內的第二次推遲發射。
被寄予厚望的火箭
H-3火箭是日本研制的一種以商業發射為目標，用以提高市場競爭力的航天運載工具。根據日本此前公布的航天計劃，該火箭將在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H-2A火箭和H-2B火箭。
2013年5月，日本內閣航天運輸系統委員會向日本政府提出研制H-3火箭的建議。2014年1月，日本政府正式批准為H-3火箭提供總額19億美元的研制經費。
該火箭從立項開始就被日本各界寄予厚望。它作為H-2系列火箭的繼承者，箭體長63米，起飛重量574噸，地球同步轉移軌道的運載能力為7.9噸。
該火箭的一子級采用三菱重工研制的L-E9氫氧發動機，但與H-2A火箭的一子級采用單台LE7A發動機並捆綁至少2個固體火箭助推器不同，H-3火箭可配備0個、2個或4個助推器，並采用2台或3台L-E9發動機作為一子級火箭使用，以便能將更多種類的載荷送入範圍更廣的軌道。
值得一提的是，該火箭采用的L-E9是目前世界上第一種百噸級推力並使用開式膨脹循環技術的氫氧發動機。
日本在開式膨脹循環發動機研制領域的建樹不少，H-2系列火箭上面級使用的LE5A發動機和LE5B發動機都采用了開式膨脹循環技術。其中，采用LE5B發動機作為上面級的火箭曾先後出現過兩次飛行事故，但LE5B發動機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，證明了開式膨脹循環發動機具有較高的啟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發展的信心。
發動機多次故障拖後腿
多年來，三菱重工對H-3火箭打入國際航天發射市場滿懷期待。按照該公司的說法，H-3火箭的發射成本只有H-2A火箭的一半，約3億人民幣，日本期待該火箭未來能在航天發射市場中占據一席之地。
事與願違的是，H-3火箭的研制過程卻一波三折。據悉，三菱重工早在2014年的技術論文中就重點強調L-E9發動機的超長燃燒室設計特點導致其振動問題比LE7A發動機嚴重。
日本宇宙航空研究開發機構和三菱重工原本的目標是在2020年底前進行首次發射，但在2020年5月對L-E9發動機進行試驗時，燃燒室內壁破裂，渦輪也出現了裂痕。隨後，日本科研人員對渦輪的設計進行調整，同年夏天對新設計的發動機再次進行試驗，但仍沒能取得成功。
2020年11月，日本宇宙航空研究開發機構證實，H-3火箭的首次發射被推遲，原因是火箭主發動機的燃燒室和渦輪泵發現了問題。調查發現，在發動機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。經科研人員分析，疲勞斷裂產生的原因由共振引起，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。當時日本宇宙航空研究開發機構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征值。
2021年1月，三菱重工將H-3火箭運到種子島航天中心。3月，日本宇宙航空研究開發機構把組裝好的火箭轉運到發射台，以演練包括倒計時和推進劑加注等環節。
合練看上去進展順利，但日本宇宙航空研究開發機構官員還是稱，科研人員發現發動機依然存在振動問題。到了6月，經科研人員排查後，雖然發動機振動問題有所改觀，但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了秋天，科研人員只好安裝阻尼器，並做了旨在消除振源的調整。
發射日期仍未確定
保證液體火箭發動機渦輪泵正常工作一直是航天界的難題。因為液體火箭發動機渦輪泵的工作環境十分惡劣，不但要在高溫、高壓和高速運行條件下工作，還浸泡在常溫、低溫，或超低溫的易燃、易爆、劇毒和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，承受著範圍寬廣的動、靜載荷。所以，渦輪泵容易發生故障，是科研人員重點監控的目標之一。
如今，H-3火箭離最初的發射時間已經推遲了1年多，雖然日本不斷對L-E9發動機的設計進行修改並測試，但相關問題仍未得到解決，而日本宇宙航空研究開發機構仍不知道重新設計的渦輪泵是否管用。同時，H-3火箭的全箭點火試車日期仍未確定，因此，再次推遲發射就在情理之中。
日本宇宙航空研究開發機構理事長山川宏表示，雖然H-3火箭的科研團隊對首飛在一年多內第二次被推遲發射感到不快，但首飛仍有望不晚於明年3月進行。
其實，H-3火箭發動機不斷出現問題也跟日本這些年航天發射數量少有關系。近年來，由於日本航天發射任務不多，火箭的生產數量較少，加之發動機試車總時長不足，沒有更多的經驗來快速解決新型火箭發動機遇到的技術問題，且航天的總投入也不足，種種原因加在一塊兒，就導致了H-3火箭的問題頻出。
該火箭的不斷推遲，也將影響到日本的相關計劃，難以在目前如火如荼的商業航天發射市場上分一杯羹。
（本文原載於2月19日《中國航天報·飛天科普周刊》一版）
文/蘭順正
