日本研發新型旗艦火箭:發射價格將與SpaceX競爭,最早今年首飛

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H-3運載火箭是日本的新型旗艦火箭,目前正處於研發中,首飛定於2020財年。H-3可以選擇兩種整流罩,兩種一子級發動機(LE-9)配置以及三種固體火箭助推器(SRB-3)配置,能夠處理各種重量和軌道的有效載荷。它對地球靜止轉移軌道(GTO)的發射能力將是日本最強的,超過瞭現有的H-IIA和H-IIB運載火箭。JAXA及其主要承包商三菱重工(MHI)和其他相關公司合作開發該火箭。

H-3火箭結構與性能參數

日本的H-3運載火箭的配置與日本現有的H-2A和H-2B運載火箭相似,其運載范圍將覆蓋H-2A和H-2B的所有有效載荷質量和軌道。H-3將使用成本更低的發動機和簡化的發射技術,計劃要求與H-2A相比發射成本降低50%。H-3火箭不使用固體助推器的配置可以將4噸的有效載荷提升到500公裡的太陽同步軌道,而使用四個助推器的配置可以將6.5噸的有效載荷提升到地球同步軌道。

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H-3火箭的結構及官方發佈的性能參數

H-3運載火箭將是2到2.5級的火箭。第一級可能裝有200多噸推進劑,由兩到三臺新型LE-9發動機提供動力,每臺在432秒的真空比脈沖下產生約150噸的推力。第一級可以連接兩個或四個SRB-3型固體火箭助推器,每個推力約為220噸。第二級將由一到兩個改進的LE-5B發動機提供動力,每個發動機以至少448秒的特定脈沖產生14噸的推力。H-3高約63米,直徑約5.2米。

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H-3火箭的定位為取代目前使用的全部H-2系列火箭

在許多方面,H-3似乎是改進的H-2B,它使用像H-2B這樣的5.2米直徑的核心,改進的LE-5B推動的第二級以及類似H-2B的SRB-A助推器。最大的不同是,H-3的核心級將能夠使用更高推力的LE-9發動機推動自身,而無需使用SRB進行較小的有效載荷任務,減少4米直徑的H-2A生產線將降低成本。另一個區別是H-3火箭的第二級和有效載荷整流罩將擴展到與第一級相同的5.2米直徑。

LE-9火箭發動機

H-3火箭芯級發動機LE-9的開發工作於2006年開始。當時三菱和IHI正在研究LE-X膨脹排氣循環(expander-bleed cycle)發動機,LE-X的研發催生瞭LE-9發動機,該發動機將為H-3提供動力。

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LE-X發動機

膨脹排氣循環將一部分氫氣經過加熱汽化後推動渦輪泵,其餘部分進入燃燒室,驅動渦輪泵的那一部分氫氣則作為廢氣排出。膨脹排氣循環發動機之前曾在低推力的上面級發動機上使用過:日本的LE-5A和LE-5B發動機,但這種循環從未在高推力的第一級發動機中使用過。該設計比分級燃燒循環更簡單,並且可以使發動機在較低的壓力和溫度下更強勁地運行,缺點是較低的比沖。LE-9將成為有史以來推力最大的膨脹排氣循環。

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膨脹排氣循環原理圖

H-3火箭的研發歷程

H-3的開發於2013年5月17日獲得日本政府的批準,新火箭的主要目標是降低成本,發射成本目標在50到6500萬美元之間。目前的計劃要求首枚H-3火箭在2020財年發射無助推器版本,並在一年後增加助推器。

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組裝完畢的LE-9發動機

2017年3月31日,LE-9發動機組裝完畢,並已交付測試,在種子島航天中心,用於新型H3型運載火箭的LE-9發動機安裝在該設施用於液體燃料助推器的燃燒試驗臺上。

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SRB-3與SRB-A助推器安裝結構的區別

2017年4月起,JAXA開始使用全尺寸SRB固體助推器外殼測試助推器的強度。SRB-3經過一系列測試,包括地面發射和分離。SRB-3是輔助火箭,目前也正在開發中,將作為固體火箭助推器安裝在H3火箭上。SRB-3綁紮式固體火箭助推器增強瞭H3的發射能力,多種配置為運載火箭提供瞭更高的靈活性,這是其優勢之一。JAXA通過使用生產SRB-A(H-2火箭的助推器)的技術並簡化連接方法來追求降低成本的目的。SRB-3火箭發動機的尺寸幾乎與SRB-A相同,也被配置用於Epsilon運載火箭的第一級。

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地面試驗中的LE-5B-3上面級發動機

2017年6月30日,JAXA測試瞭LE-5B-3發動機。LE-5B-3是H-2系列火箭使用的LE-5B-2發動機的升級版,在成功發射瞭數十枚H-2火箭之後,LE-5B-2得到瞭充分的可靠性測試。因此JAXA將其進行改進以降低LE-5B-3的成本。

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LE-9發動機渦輪泵組件測試

2017年8月8日,JAXA角田航天中心對LE-9發動機的渦輪泵組件進行單元測試。安裝在復制型LE-9發動機上的渦輪泵經過瞭一系列測試,以確保其功能和性能。在角田航天中心,有一個燃燒池,用於處理蒸發的氫氣。蒸發掉未使用的液態氫以消散會產生高達五十米的高聳火焰。

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H-3規模降噪實驗

JAXA正在開發的H-3火箭追求世界上最安靜的發射。作為降噪計劃的一部分,2017年4月至7月在秋田縣JAXA能代火箭測試中心進行瞭HARE(H-3比例降噪實驗)。供水系統旨在保護飛行器及其有效載荷免受在發射過程中由移動發射平臺(MLP)反射的聲能造成的任何損害。

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試驗用移動發動臺結構

這些對策主要圍繞簡單的噪聲測試和數值噪聲分析而發展。基於這些,JAXA在包括水抑制系統和吸音墻的地面設施上安裝瞭這些裝置。JAXA在H-3和發射系統的1:24比例模型上進行的聲學測試提供瞭有關發動機和助推器如何產生強大噪音的關鍵數據。數據還闡明瞭固體發動機點火時的瞬態壓力率。數據分析使JAXA對升空過程中產生噪聲的機制有更深入的瞭解。HARE數據以及在H-IIA和B發射中收集的其他聲學數據的應用將用於H-3和地面設施的設計和開發。

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地面點火測試中的SRB-3助推器

2018年8月,JAXA對SRB-3助推器進行的完整的地面點火測試。測試地點位於JAXA種子島太空中心竹崎發射場的實心火箭地面燃燒測試設施,測試結果符合預期,點火持續時間110.1秒,最大推理2137kN,最大燃燒壓力10.7MPa。

H-3火箭的制造成本控制方法

JAXA計劃的H-3火箭的發射價格將用於與SpaceX之類的企業競爭。因此三菱重工等承包商需要解決其制造和發射成本的問題。

三菱重工在日本愛知縣的一傢工廠安裝瞭自動鉚接機,用於組裝火箭貯箱。該公司還在另一傢工廠對管道系統組件使用3D建模技術。精度要求意味著許多火箭零件都需要手工制造。與日本的現世代運載火箭H-2A和H-2B相比,該公司的自動化技術可以減少這種需求並節省成本。

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三菱重工火箭制造工廠

此外,H-3火箭的設計將靈活匹配有效載荷的大小。例如,隻有攜帶大型衛星的H-3才會配備額外的助推火箭。這樣就無需安裝過多的組件。

在發射方面,H-3的發射任務將移交給三菱,而對於當前的H-2A,發射任務由JAXA承擔。這是一個很大的變化,該技術本身是JAXA和三菱公司共同開發的,三菱現在正像Arianespace一樣努力在商業市場推廣其H-3。用戶可以以兩種方式與三菱合作。用戶可以與JAXA簽訂合同,然後JAXA將購買整個火箭,發射主要有效載荷,並為用戶提供發射共享機會。此外,用戶也可以直接與三菱進行合作。

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Inmarsat-6 F1渲染圖

新型H-3運載火箭將在2022年進行首次商業飛行,Inmarsat將是其第一個客戶。Inmarsat已與MHI達成協議,並將成為H-3的第一個商業客戶。這是Inmarsat與MHI的第二份合同,第一份合同於2017年簽署,用於H-IIA發射Inmarsat-6 F1,定於2020年進行。

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H-3火箭發射臺目前由H-2B使用

H-3火箭將從種子島航天中心2號發射臺發射,該發射平臺目前由H-2B使用,發射設施將針對H-3進行修改。

H-3火箭的未來升級計劃

日本準備加入NASA的Artemis月球計劃時,三菱重工表示可能會升級2020年首次亮相的H-3火箭,以便最早在2025年將貨物運送到月球。

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MHI在IAC 2019上概述瞭H-3火箭的升級變體,包括H-3重型

H-3計劃於2021年將升級後的貨船HTV-X發射到國際空間站。為瞭支持NASA未來的登月太空站,三菱重工正在考慮將H-3的兩種變體推向更困難的軌道。H-3的設計目的是將7900公斤以上的貨物提升到地球同步轉移軌道,升級後的第二級火箭可以使用HTV-X將3400公斤加壓貨物和1000公斤非加壓貨物運到登月太空站。

將一艘HTV-X貨船發射到該太空站將需要兩次H-3發射。首次發射將把HTV-X送入地球軌道,第二次發射將使上層艙帶有一個擴大的燃料貯箱,以便與HTV-X對接並將其推送至太空站。三菱重工可能會在2025或2026年進行此類任務。

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從長遠來看,三菱重工可以使用捆綁瞭三個第一級助推器的單個火箭將登陸器直接送入月球軌道,類似於ULA的Delta 4重型火箭或SpaceX的Falcon重型火箭。一枚H-3重型火箭可以向月球軌道發送11900千克貨物,向地球靜止轉移軌道發送14800千克貨物,向低地球軌道發送28300千克貨物。三核心變體型號也非常適合將月球車、居住艙和其他材料帶到月球表面。H-3重型火箭可能在2030年準備就緒。

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