日本新一代大型H3火箭首飞失利影响分析_王姝雅.pdf

运载大观Space International 国际太空 20234Launch Vehicle18王姝雅1 马昆2 王林1（1 北京航天长征科技信息研究所，2 中国运载火箭技术研究院）作为国外新一代主力运载火箭第一个进行首飞的型号，经历多次推迟的 H3 首飞任务仍遭遇终止和失败。这是继 2022 年 10 月“艾普斯龙”（Epsilon）火箭因二子级姿控系统故障发射失败后，日本再次遭遇发射失利。H3 火箭从种子岛航天中心发射升空日本新一代大型 H3 火箭首飞失利影响分析1 首飞任务及失利概况北京时间 2023 年 3 月 7 日 9 时 37 分，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）研制的新一代大型运载火箭 H3 发射升空，执行首飞任务，计划将先进陆地观测卫星-3（ALOS-3）光学遥感卫星送入太阳同步轨道（SSO）。JAXA 在任务失败后提供的数据显示，自动倒计时结束后，H3 火箭从位于种子岛航天中心的发射台顺利升空，随后固体火箭助推器成功分离。4min56s 后，一子级主发动机关机，一、二子级成功分离，与计划飞行时序一致。然而，本应在 5min16s 点火的上面级发动机并未启动，在达到约 3.6km/s 的速度后，火箭开始减速。传回地面控制中心的数据显示，在没有上面级发动机推力的情况下，火箭飞行至约 630km 的最大高度。在确定无法将有效载荷送入指定轨道后，地面控制中心在发射后13min55s 向火箭发出指令自毁，H3 首飞箭和 3t 重的 ALOS-3 卫星碎片落在菲律宾以东海域1。H3 的首次发射窗口原定于北京时间 2023 年 2月 17 日 9 时 37 分开启，但由于在自动点火倒计时期间，火箭芯一级系统检测到异常，未发送固体助推器点火信号，发射遭遇中止。经调查，LE-9 主发动机启动后，在切断箭上和地面之间的所有电源和通信连运载大观Space International 国际太空 20234Launch VehicleSpace International 国际太空总第 532 期19日本新一代大型 H3 火箭首飞失利影响分析JAXA 在失利后提供的本次任务的实际飞行数据故障调整情况接时，瞬间电势变化影响到火箭一子级的飞行控制系统（V-CON1），V-CON1 检测到错误命令，因此未发送固体助推器点火信号，导致发射中止。针对上述问题，JAXA 将上述程序从一次性切断所有电源和通信连接，调整为间隔切断，并通过试验验证了该方法抑制瞬间电势波动的有效性。2 H3 火箭技术方案构型H3 火箭的结构设计以 H-2A 和 H-2B 为基础，最大限度地利用原有技术，基于简化设计和通用化设计的原则实现灵活、可靠和低成本的研制目标。H3火箭由 JAXA 牵头研制，三菱重工有限公司（MHI）为其主承包商。H3 火箭采用两级加捆绑助推器构型，直径 5.2m，整箭高 57 63m，芯一级采用 2 3 台 LE-9 氢氧发动机，上面级采用 1 台 LE-5B-3 氢氧发动机，捆绑固体助推器数量为 0/2/4 枚，可配合使用长短 2 种整流罩，主要有 4 种构型，起飞质量 270 572t，其中无助推构型（H3-30S）的太阳同步轨道运载能力为4t，4 助推构型的地球同步转移轨道（V=1500m/s）运载能力为6.5t。无助推构型计划用于政府载荷发射，其他构型则用于商业卫星发射。本次首飞构型为 H3-22S，即芯一级安装 2 台LE-9、捆绑2枚固体助推器、采用短型整流罩的构型，起飞质量 422t、高 57m，所发射的 ALOS-3 卫星质量为 3t，目标轨道为 669km 的太阳同步轨道（SSO）。H3 火箭的 SRB-3 固体助推器基于此前 H-2A/B 的 SRB-A 改 进 而 来，直 径 同 样 为 2.5m，长15m，推进剂质量 67.2t，总质量 76.2t，工作时长110s，海平面推力 2158kN，比冲 283.6s，采用固定喷管。SRB-3 采用日本国产碳纤维复合材料壳体制运载大观Space International 国际太空 20234Launch Vehicle20造方案替代了此前从美国引进的制造技术和设备，降低了成本。在捆绑连接和分离方式上，利用“推力销”替代了 SBR-A 采用的 6 根传力杆，利用气动伺服机构驱动的活塞机构实现分离，实现了设计简化和结构减重。另外，SRB-3 还将作为艾普斯龙-S 改进型固体小型火箭一子级，达到模块通用化和降低总体成本的目的。H3 的一子级基于 H-2B 一子级改进而来，直径同为 5.2m，长 37m，总质量 240t，推进剂质量225t，工作时长约 300s，可以安装 2 台或 3 台 LE-9发动机。LE-9 是世界上首型采用开式膨胀循环（膨胀排气循环）的主发动机，海平面推力 1221kN，真空推力达 1471kN，真空比冲 425s。真空推力相比H-2A/B 上采用分级燃烧循环的 LE-7A 的 1078kN有所提升，但真空比冲低于 LE-7A 的 446s。发动机创新改进包括开式膨胀循环、3D 打印制造、电动阀变推力控制（最大调节能力达到 60%）等。二子级直径 5.2m，长 12m，总质量 27t，推进剂质量 24.5t，工作时长约 686s，采用 LE-5B-3 氢氧发动机。LE-5B-3 基于 H-2A/B 的 LE-5B-2 改进而来，同样采用开式膨胀循环，真空推力 137kN，真空比冲从 446.6s 提升至 448s，最大工作时长从534s 增 加 至 740s，具 备 5 次 启 动 能 力。JAXA 在2017-2019 年针对 LE-5B-3 发动机开展了 2 轮共计35 次试车，并在 2020 年 7-8 月对二子级进行了 3 次试车，针对试车过程中出现的液氢涡轮分子泵转速过高、供氧压力下降等问题进行改进，对二子级及其发动机进行了充分验证。不过，本次发射还是出现二子级发动机未能启动的故障情况。分系统JAXA 基于简化设计和通用化设计原则，在 H3火箭推进、结构和电气 3 个主要分系统上采取了多方面的措施。1）推进分系统。减少发动机零部件数量、采用更便于加工的形状、简化工序并实现流程自动化；阀门和传感器等零部组件采用汽车航空工业领域的商业现货产品，但要经过严格评估；采用电动执行机构替代伺服机构的液压系统和阀门的气压作动系统，飞行过程中所有阀门和伺服机构全部依靠电力驱动。2）结构分系统。进一步扩大旋压成型工艺应用范围，减少使用大型锻造环和厚壁板材；发动机段、箱间段采用自动铆接工艺；分离机构和火工品等关键部件和 H-2A/B 共用。3）电气分系统。采用“分布式控制系统”和“网络”系统，电气系统的设备都连接到网络中，相比在H-2A/B 上传感器、计算机、通信设备通过独立线缆与地面连接传输信息的方式，分布式、网络化的结构大幅减少线缆的数量，减轻了重量、简化了发射场组装、检查和发射工作，并降低了成本。另外，为提高系统可靠性，H3 火箭电气系统冗余能力也得到改进和提升。制造为了提高 H3 火箭研制效率，缩短研制周期，同时也为了进一步降低后续使用阶段的运营成本，JAXA 优化了 H3 火箭的生产制造方式，同时还引进了很多新技术。H3 系列火箭包括 4 种构型H3-30SH3-22SH3-22LH3-24LSpace International 国际太空总第 532 期21研制过程中，采用“快速跟踪”的方式，并行开展设计研发工作和制造工作，在设计和验证还没有完全结束之前，就启动样件和样机的制造，尽管可能会带来“返工”的风险，但可以通过风险管理尽可能规避“返工”问题，从而大幅提高效率，缩短研制周期。为了在 H3 火箭进入稳定运营状态之后，实现发射价格降至 H-2A 一半左右的目标（指 H3-30S 构型），负责火箭制造的总承包商三菱重工扩建了火箭制造装配厂房，在当前借鉴汽车和航空工业流水线生产方式的基础上，后续将把 H3 火箭分为 4 个部分，各个部分的转移过程和加工过程同步进行，并称之为“节拍生产”。最后，在继承 H-2A/B 技术的同时，日本还考虑新技术整合应用，装配制造和检测的自动化，以及3D打印等新技术。LE-9发动机的管道、阀门、喷油器、燃烧室等结构件大量采用 3D 打印技术，其中喷注器从此前 500 个零部件组装简化为一体成型，才能使整体成本降低 50%以上成为可能。3 研制背景及历程背景尽管日本的航天发射次数较少，在国际商业发射市场上的份额也很少，但是一直强调其主力火箭的国际竞争力，因此也将 H3 火箭与猎鹰-9（Falcon-9）、阿里安-6（Ariane-6）、“火神”（Vulcan）、“新格伦”（New Glenn）和安加拉-A5（Angara-A5）等新型火箭对标，提出要将 H3 火箭的单次发射成本降至 50 亿日元，在卫星发射需求规模化和多样化的商业市场上寻求更多机会。日本发展 H3 火箭更重要的原因是要保持独立自主进入空间的能力。航天技术和装备的快速发展，也对进入空间能力提出了更高的需求，需要更加高效和可靠的发射方式，而且还能够与“艾普斯龙”小型固体火箭共用技术，保持其固体火箭技术的能力。另外，日本还提出避免航天人才断层的问题，从 H-2A/B 研制活动至今已经 30 年，需要开展新的火箭研制项目来培养人才，传承经验，保证日本航天工业的持续发展。因此，H3 运载火箭是日本为降低现役主力火箭的高昂成本而开发的下一代大型运载火箭，经过近十年的研制，来维持和加强日本航空航天工业基础，为日本提供可靠进入空间的能力，并提升日本在国际商业发射服务市场上的竞争力。根据对客户的调研结果，在 H3 火箭的开发规范中还规定了以下三点：有竞争力的发射能力和价格；发射场的操作改进以及确保在预定日期发射；给卫星提供振动更小，环境更好的发射条件。主要大事件2013 年 5 月，日本内阁航天运输系统委员会向日本政府提出研制 H3 运载火箭的建议。2014 年 1 月，日本政府正式批准，为 H3 火箭的研制提供总额 19 亿美元的研制经费。2014 年 4 月，JAXA 和三菱重工有限公司着手H3 运载火箭的开发。2016 年 6 月，JAXA 对火箭实施综合系统基本设计审查，审查结果表明可以进入详细设计阶段。2017 年 4 月，开始在种子岛宇宙中心开展一子级发动机 LE-9 的点火试验。2017 年 12 月，JAXA 对火箭实施综合系统详细设计审查，判断可以进入试验机制造阶段。2020 年 5 月，LE-9 发动机在地面试车过程中燃烧室和涡轮泵出现技术问题。2020 年 9 月，为了应对上次试验中出现的问题，JAXA 重新修改了 H3 运载火箭的开发计划，并将试验机 1 号机（TF1）的发射时间推迟到不晚于 2021 财年。2022 年 1 月，JAXA 宣布，由于 2020 年在鉴定试车中暴露出的发动机故障问题仍未解决，首飞时间运载大观Space International 国际太空 20234Launch Vehicle22再度推迟。2022 年 3 月下旬至 7 月上旬，在种子岛宇宙中心通过发动机燃烧试验进行叶片振动测试，选定适合试验机 1 号机的规格。2022 年 7 月下旬起，开始实施认定燃烧试验（共9 次）；9 月下旬，首台 LE-9 发动机已通过试车鉴定并安装到一子级，10 月初，首飞箭所采用的第二台 LE-9 发动机也通过了验收试验，试验结果表明，发动机可以全部按照预期工作，能够搭载首飞箭上天。2022 年 11 月，H3 首飞箭在种子岛航天发射场的发射台上进行了全箭静态点火试验，芯一级的两台LE-9 发动机工作 25s 后关机。此后，JAXA 对试验中出现的一子级液氧加压接头处泄漏、液氧贮箱顶部溢流阀以及火箭尾焰导流槽出口噪声超过振动环境条件限制值等问题进行改进，并着手发射准备工作。4 研制特点分析继承已有技术，平衡技术创新和可靠性H3 总体构型基本与 H-2A/B 一致，采用固体捆绑助推器加芯级氢氧构型，保持灵活性和通用性；直径