過度降低成本、簡化結構——「或是」日本H3火箭首飛失敗原因

2023-03-07     彧蔚

原標題:過度降低成本、簡化結構——「或是」日本H3火箭首飛失敗原因

當地時間3月7日上午10時56分,日本最新研製的H3運載火箭,從鹿兒島種子發射中心升空,約8分鐘後,由於芯二級裝備的LE-5B-3氫氧火箭發動機未能成功點火,最終被遠程遙控炸毀,至此日本時隔30年再次全新研製的H3運載火箭首飛失敗。

說起H3運載火箭,就不得不提及日本退役的H2B運載火箭,作為此前日本運載力最強、也是直接對標我國當前運載力最強長征5號運載火箭的中大型運載火箭,H2B運載火箭雖然最大起飛重量不到600噸,但其近地軌道最大運載力仍然達到了16.5噸,且其超過5.2米的發射直徑也使得其能夠兼容發射貨運飛船等大型太空飛行器。

當然H2B身上最大的看點,就是其芯一級和芯二級使用的氫氧火箭發動機和捆綁的固體助推器了,其芯一級採用2台日本自研LE-7A氫氧火箭發動機、芯二級同樣採用2台日本自研LE-5A氫氧火箭發動機,同時其捆綁的固體助推器也是可以直接用於單獨設計小型固體火箭或洲際飛彈。

可以說從運載火箭的性能來說,H2B已經當之無愧位列全球先進運載火箭隊列,但在其身上最大的缺點和不足就是,H2B運載火箭由於採用大量先進技術,其單次發射成本高達1.5億美元。這樣的表現放在軍用衛星發射上不成問題,但隨著全球商業航天市場的崛起,全球諸多具備航天發射的國家,都想分一杯羹,包括我國都專門基於長征7號基礎上,專門研製了長征8號商業火箭,同時還發展了包括捷龍系列等多款固體商業運載火箭。

歐洲也計劃性推出了阿麗亞娜6中型運載火箭,用於商業航天發射。但對於日本而言,其現役的H2B運載火箭雖然也能執行商業航天發射需求,但存在著發射成本過高的不足,所以這也是日本想要研製H3運載火箭,並特彆強調低成本的原因所在。

之前的H2B運載火箭,之所以發射成本高,主要原因就在於其生產成本高,而造成H2B運載火箭製造成本高的原因,又在於其採用的氫氧火箭發動機技術複雜,生產、檢測成本高。比如其芯一級裝備的LE-7A氫氧火箭發動機,噴管採用了生產、檢測成本非常高的再生冷卻噴管設計,同時包括芯二級的LE-5B-2氫氧火箭發動機,也採用了再生冷卻管道設計。

H2B運載火箭芯一級LE-7A發動機噴管採用再生冷卻技術

所以對於新的H3運載火箭而言,要想將發射成本降低到預期的6000萬美元左右,最簡單的方式就是優化發動機結構、降低生產成本,比如H3運載火箭芯一級,採用了推力更大的LE-9氫氧火箭發動機,該發動機推力更大的優勢,除了能夠降低捆綁發動機數量降低火箭生產成本外,其發動機噴管也放棄了H2B使用的LE-7A的再生冷卻噴管技術,改為成本更低的氣膜冷卻技術降低生產成本。

H3運載火箭芯一級噴管放棄再生冷卻技術,改用氣膜冷卻技術

而芯二級採用的LE-5B-3發動機是在H2B芯二級的LE-5B-2基礎上優化結構而來的,最大的改變就是降低結構難度、增加可靠性。比如為了降低生產成本,之前H2B裝載的LE-5B-2為了提升火箭發動機比沖,液氫從燃料箱抽出進入燃燒室之前,會提前進入噴管內壁的細管內預熱和為發動機噴管降溫,這樣在膨脹循環模式加持下,其比沖更高。但這樣的設計需要在特級技工耗費上千小時、將上千米幾毫米粗的金屬細管焊接成一個整體,除了生產效率低外,最大的缺點就是生產成本高昂。

而H3運載火箭除了要替代H2B運載火箭,降低航天發射成本外,同時也主要瞄準商業航天市場。為此在如何降低發射成本,爭奪更多商業航天發射訂單的需求下,H3運載火箭採用的LE-5B-3氫氧火箭發動機,取消了之前H2B運載火箭芯二級LE-5B-2的再生冷卻方式,改為低成本的燒蝕冷卻方式,同時液氫也不再需要進入噴管內,只需要進入預燃室即可,這樣設計的最大好處是,不再需要一根一根的焊接密密麻麻的金屬冷卻管道,所以LE-5B-3的發動機生產成本大幅減低。

而這次H3運載火箭第二級未能成功點火的主要原因,或許就出在LE-5B過於強調簡化結構、造成預燃室壓力不足上。

因為之前H2B運載火箭芯二級裝備的LE-5B-2發動機,在燃料進入燃燒室之前會進入噴管內壁進行噴管冷卻降溫外,發動機噴管溫度還會額外為-253度的液氫進行增溫和降低紊流優勢,這樣經過預熱的液氫燃料進入預燃室燃燒時,能夠更充分的和液氧混燃,點火反而更容易。

但LE-5B-3取消了發動機噴管再生冷卻設計,雖然能夠降低成本,但對於-253度的液氫和-183度的液氧而言,兩個溫度都特別低的燃料混合後,想要立即點燃的穩定性就不是很高,特別是在二級火箭發動機點火時,外界氣壓、溫度已經更低的情況下,想要成功點火更難。

其實日本H3運載火箭首飛失敗,最根本的原因在於日本雖然已經具備LE-7、LE-9這種百噸級以上的大推力氫氧火箭發動機量產技術,但這些技術都是美國為其提供的,日本並未徹徹底底的掌握全部核心技術。比如仔細看奠定日本先進液體火箭技術的H2B運載火箭,無論是超過5米的箭體直徑,還是芯一級和芯二級採用的LE-7A和LE-5B-2氫氧火箭的再生冷卻技術,其實都來自美國德爾塔運載火箭技術,比如再生冷卻噴管技術,就是來自德爾塔運載火箭芯二級的RL-10氫氧火箭發動機冷卻噴管技術,所以二者結構非常相似。

文章來源: https://twgreatdaily.com/ed6621da299324458dbb2934a0d50cfc.html