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三次首飛終於成功,日本火箭喜提「亞洲第二強」,僅次於中國長五

2024-02-22科學

就在咱們春節假期,日本航天完成了一項劃時代的舉動。

延誤已久的日本新一代火箭H-3,在2024年2月17日9時24分,從鹿兒島縣種子島宇宙中心成功發射。

p火箭終於成功

這枚火箭推力僅次於長征五號,是「亞洲第二強」,也標誌著日本正式突破了大推力火箭技術,覆寫了東亞乃至亞洲的太空實力格局。

都說印度航母下水了三次,其實這枚日本火箭也是首飛了三次,這是咋回事呢?

一、「噴零件」的日本火箭發動機

日本在2014年開始研制H-3火箭,原計劃2020年首飛。

結果直到2017年,火箭一級主發動機才正式試車;試車之後,又問題頻發,總是噴零件。

直到2022年,火箭一級主發動機才試車成功,開始總裝。

2023年2月17日,第一次正選,點火失敗,涼在發射台上。

發射台上「冷靜」的p

2023年3月7日,第二次正選,二節火箭點火失敗,燒在大氣層裏,啟動自毀程式,搭載的大地3號衛星也掉進了海裏。

大氣層裏自毀的p

直到今年2月17日第三次首飛,終於成功了,這次他們保險起見,只帶了三顆小衛星,都順利進入了太空。

火箭升空後約17分鐘後,分離了搭載的佳能電子公司光學衛星「CE-SAT-1E」。另1顆超小型衛星「TIRSAT」也分離。

這次p帶的載荷

在第二級發動機再點火後,又實施了模擬衛星分離試驗,分離的是VEP-4模擬載荷。

現在看來,H-3火箭多次跳票主要是兩方面因素,一是發動機不過關;二是火箭電子系統可靠性不行。

由於日本航天部門步子比較大,第一級主發動機的LE-9膨脹迴圈氫氧發動機先後經歷了葉片開裂、燃燒室內壁葉片開裂、葉片疲勞等等一系列問題。

原計劃該型發動機的二號機在2020年應該進行10試驗,結果只進行了5次,在這5次中有3次因為試驗異常提前終止。

(日本氫氧火箭發動機發展圖譜,LE-9是最新型號)

(試車失敗的記錄)

等一級主發動機涉險過關後,H-3並沒有迎來曙光,反而是各級子系統開始作妖。

在第一次正選中,由於主發動機電源系統故障,飛控軟件停止計時未向火箭推進器發出點火訊號。

在第二次正選中,由於二級發動機LE-5供電系統出現過電流現象,導致發動機電力供應中斷,造成二級點火異常而墜海。

(p的二節火箭)

(失敗時,痛哭的日本航天人員)

經過一年的歸零,今年H-3迎來成功。如此波折,這發「亞洲第二」的火箭到底是什麽水平呢?

在一眾氫氧發動機裏,H-3火箭一級主發動機在推力和比沖上的指標都不錯。特別是推力一口氣幹到了150噸。

它套用了開式膨脹技術,讓本應該進入燃燒室的氣態燃料排放掉了。

這種方式使得渦輪泵燃燒室的壓力差更大,從而獲取了流速更快的燃料,使得渦輪泵壓力增加,海平面推力也就得到了提高。

開式膨脹發動機基本原理

二、羸弱的日本航天發射市場

雖然日本在火箭發動機上指標定的比較高,也能看出來日本航天的野心。但是這次發射還是暴露了兩個很大問題:

一方面,H-3火箭太貴了,跟日本軍工產品一樣,非常貴。

現有的H-2火箭一發要100億日元,日本研制H-3火箭定位就是商業發射,想把一發的成本降到50億日元,並且也在PPT上增加了可重復使用的設計。

但是目前p的設計經費已經達到了19億美元,連可重復使用的邊都沒摸到,想實作PPT的話,研制費用至少還要漲一半,那折算下來,p的發射費用肯定會超標,根本不可能達到降低成本的目標。

另一方面,日本自身火箭發射的市場需求很小。

在日本人眼裏,H-3火箭除了替代H-2系列火箭外,還肩負著出海搶訂單的任務。但自己技術不給力,加上美國獵鷹9系列火箭的成功,H-3出海的計劃是沒什麽指望了,它只要不落海就好了。

受制於自身航天需求,H-3只簽了一家合作公司,平常沒有什麽商業載荷可以發射。以2022年為例,日本只有2次航天發射活動。

以2022年為例,日本只有2次航天發射活動

近些年,世界各國的航天活動開始增多。除了一些老牌航天國家外,印度、南韓、伊朗等國家也頻頻有所動作。

作為太空俱樂部的「老人」,日本航天還是頗有雄心,努力地在扮演美國航天羽翼下有所作為的角色。

探月、探火、探小行星,氫氧機、大推力氫氧機、可重復使用火箭,日本在今天的太空牌桌上算是很努力的了。

(p達到PPT的設計目標還有很長的路)

但是,每年個位數的發射數量,還不到中美的零頭,難以支撐日本那些看起來很好的計劃。

雖然p火箭成功發射後,日本媒體高呼這是「技術皇冠上的明珠」, 但是「有箭無星」,這也是日本航天將長期面臨的尷尬。

好久沒見人說皇冠、明珠這類詞了

好久沒看到媒體說「皇冠明珠」這個詞了,不妨來看看日本這個「明珠」到底是什麽成色。

事先聲明,咱也不是要跟日本人比,這裏只是借助一下長征火箭的數據,讓大家直觀感受一下日本火箭到底達到了啥樣的水平。

日本p箭體長63米,直徑達5.2米,起飛重量574噸,其近地軌域運力LEO:16.5噸,地球同步轉移軌域(GTO)的運載能力為7.9噸,2024年成功首飛。

中國長征五號高度為56.97米,直徑為5米,起飛質素約869噸,近地軌域運載能力是25噸,地球同步轉移軌域(GTO)14噸的運載能力,2016年成功首飛。

中國的長征七號是中國的新一代中型運載火箭,全長60.1米,火箭總重量約573噸,其近地軌域運載(LEO)能力在13.5噸到14噸以上,地球同步轉移軌域運載能力不低於7噸,2016年成功首飛。

(H-3火箭家族)

在晚了6年後,p火箭的運載能力略高於長征7號火箭,遠不如長征5號火箭。

更不用說,中國推力更大的長征10號、長征9號正在路上。等日本折騰明白p火箭,中國的航天火箭將是另一番景象。

三、投機取巧式的日本航天戰略

從1970年首次邁向太空,日本航天就不停上演著「驚悚小說」式的研制特色。

1990年1月24日,日本利用M-3SII運載火箭向月球發射了「飛天」號探測器。「飛天」探測器發射時,在倒計時只剩下18秒的時候,為一枚捆綁式助推器的噴管萬向節提供驅動的液壓泵失靈了。

1998年7月3日,日本首顆火星探測車「希望」號發射升空。升空後一直故障不斷,先是推進器閥門出故障,再是電路損壞致使其主發動機停止工作。

(隼鳥一號和二號小行星探測,是日本航天的高光)

2003年5月9日,日本首顆小行星探測器「隼鳥」號升空。先後經歷了3台姿控發動機兩台故障、燃料泄漏、失去聯絡、太陽能電池輸出過低、離子引擎故障等等故障,一路看的人心驚肉跳。

2010年5月21日,日本「拂曉」號金星探測器發射,卻因為主引擎閥門故障與金星擦肩而過,未能進入環繞金星軌域。

如果說俄羅斯是考古式航天,那麽日本就是貞子式航天,主打一個驚悚,不出點意外都不算成功。

在航天事業上,日本航天才是那個布朗運動的真正行家,印度航天都要甘拜下風。

(2023年日本H-3火箭發射大地3號偵察衛星-模擬圖)

按說探索航天就是一個不斷試錯的過程,日本航天卻總能在意想不到的地方出錯。例如H-3火箭2023年首次亮相,人們都以為LE-9發動機可能會出問題,結果卻是成熟的LE-5發動機出了問題。

總想用最小的成本博取最大的利益,投機取巧式的做事風格,在日本航天方面體現的淋漓盡致。

只是太空是殘酷而公平的,沒有珍珠港可以偷襲。出了問題,也不是鞠個躬就可以讓全世界買單的。

(早先日本多次用H-2火箭發射軍事偵察衛星)

另外,日本嘴上說著是商業火箭,實際上卻是司馬昭之心。p在去年的發射中,卻搭載了一枚光學對地觀測衛星「大地3號」。

這是一顆頗有軍事價值的觀測衛星。雖然把衛星打到海裏去了,但是日本航天的軍事內容,早就是路人皆知的事實。

在本身航天發射需求很少的情況下,日本一直在謀求大推力火箭,其實就是希望在航天領域做一個「大國」,讓航天成為日本尋求「國家正常化」的一個工具罷了。