日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)宣佈,推遲原定3月内首次發射的新一代核心火箭「H3」的發射時間。這已經是第二次推遲發射,時隔約30年日本新開發的大型火箭在最終階段遇到了困難。終極因數在於H3火箭引擎的開發出現意料之外的問題,所以被稱爲「潛藏有惡魔」,此次推遲似乎是因爲「惡魔現身」 了。
火箭根據燃料分爲固體燃料火箭和液體燃料火箭兩種類型,H3爲液體燃料火箭,是現有大型火箭「H2A」的後續機型。固體燃料火箭有小型火箭「Epsilon」。
H2A的發射成功率高達98%左右,超過了世視線誘導標準的95%,但瓶頸是發射一次需要約100億日元費用。美國企業家埃隆·馬斯克領導的Space X公司開發的火箭「Falcon9」發射一次也需要約60億日元。H3的目標是將發射成本降至目前一半的50億日元,併兼顧高可靠性和低成本。H3由JAXA與三菱重工聯合開發。
採用降低成本的新方式
H3由下部的第一級和上部的第二級組成,採用引擎依次點火與箭體分離以獲得高推力的設計。火箭的開發始於2014年,最初的目標是2020年度首次發射,但作爲火箭核心部分的第一級的引擎「LE-9」在測試時故障不斷。
首先是在2020年5月的測試中發現主要部件出現異常,於是將發射時間推遲了一年。問題好不容易得到解決,這次又發生了意料之外的振動情況,只好決定第二次推遲。
「開發相當於到達了九合目(日本把山分爲十等分,稱爲「合目」,山腳爲一合目,山頂爲十合目),但在那之後山勢更加陡峭,相當於攀巖。雖然可以看到山頂,但重點是如何攀爬」。JAXA專案經理岡田匡史在1月份舉行的記者發佈會上把H3的開發現狀比喻成了登山。
LE-9的開發之所以不容易,是因爲動作方式採用了名爲「膨脹排放循環」的技術。優點是操作和結構簡單,零部件數量減量了20%左右,可以降低成本。 這是日本首次投入實用的技術,1994年發射的「H2」和H2A及其姊妹機「H2B」的二級引擎採用了該技術。
然而,二級和一級引擎的尺寸和推力大不相同。爲了將該方式用於H3的一級引擎,需要將推力提高至H2A的二級引擎的10倍。這種級別在全球尚無實用先例,JAXA等一直在摸索之中。
火箭引擎在開發程序中經常是一個問題剛剛解決,另一個新的問題又出現了。例如,號稱日本首枚「純國產」火箭的H2在開發程序中也是問題不斷。
在此之前,日本一直引進美國的德爾塔火箭技術發射了液體燃料火箭。在H2的研發程序中,用於液體燃料火箭的日本首款一級引擎「LE-7」在測試步驟中接連發生火災和爆炸,1991年三菱重工的工廠裏還發生了造成一名技術人員死亡的事故。1994年實施實用化後,1999年又因爲引擎異常振動導致發射失敗,失去了一顆人造人造衛星。
難以透過計算預測
參與H2開發的三菱重工前技術人員、金澤工業大學的教授森合秀樹指出:「與H2相比,H3出現的問題本身並不大。但這說明即使在IT(資訊科技)預測迅猛隊形變換的今天,火箭引擎也存在無法預測的部分。」
與大約30年前開發H2時相比,類比實驗等技術顯著進步。H3的測試利用超級計算機等進行了精確的計算和準備,沒有發生H2那樣的大規模爆炸和火災,但這也體現了引擎開發的難度。
曾經在H2的開發程序中出現的惡魔最終使H2A實施了高可靠性。JAXA的岡田預測說:「雖然‘惡魔’給人一種不好的感覺,但我視其爲技術之神。或許它是在對我們說‘繼續操作努力吧’。」
【關鍵字】
核心火箭:被政府定位爲主力火箭,是實施太空開發任務不可或缺的太空運載系統。日本有液體燃料火箭H2A和固體燃料火箭Epsilon。
Epsilon負責發射小型人造人造衛星,H2A和H3主要負責發射大型人造人造衛星等。國際上對人造人造衛星的發射需求在增長,以美國Space X爲首,海外初創企業等的新型火箭正在崛起。當務之急不僅是提高可靠性,還需要降低成本。
日文:松添亮甫、《日本經濟新聞》,2022/02/28
中文:JST客觀日本編輯部