日本的H3火箭等待首飞的最终发动机认证

by 金山李

日本第三代液态氢动力火箭 H3 即将首次发射。 H3 火箭由日本宇宙航空研究开发机构 (JAXA) 和三菱重工 (MHI) 共同开发,接替了 H-II 系列,后者提供卫星发射和国际空间站货物补给任务二十年。

H3火箭是日本氢动力火箭家族的第三款。第一种是 1986 年至 1992 年使用的 H-I 火箭。然后,该车辆使用美国制造的加长型雷神长坦克(ELTT)和六个或九个 Caster-2 固体火箭助推器(SRB)。

这是第一款使用日本制造的低温二级火箭和新的 LE-5 发动机的日本火箭。 H-I 直径 2.44 米,高度 42 米。 H-I 以 100% 的成功记录成功飞行了 9 次。

1994 年,H-I 被 H-II 取代,H-II 是第一款全日本制造的液体火箭。 ELTT 第一级被日本制造的第一级取代,现在由一台 LE-7 Hydrolox 发动机提供动力。 H-II 还包括一个升级后的 LE-5A 水力士二级发动机和两个日本制造的固体火箭助推器。

火箭直径4米,高49米。从 1994 年到 1999 年,它共飞行了 7 次,成功发射了 5 次。 H-II 随后退役,取而代之的是 H-IIA 和 H-IIB 火箭。

H-IIA 是日本目前运行的主要发射系统。它使用一台LE-7A一级Hydrolox发动机、一台LE-5B二级Hydrolox发动机和两台或四台SRB-A固体火箭助推器。 H-IIA 的直径与 H-II 相同,为 4 米,但更高,为 53 米。 H-IIA 于 2001 年进行了首飞,目前进行了 43 次发射,取得了 42 次成功。 

搭载 IBUKI-2 (GOSAT-2) 和 KhalifaSat 的 H-IIA Flight 40 发射 – 通过 JAXA

H-IIB 是一个更强大的 H-IIA 版本,以支持现已退役的 Kounotori H-II 转运车 (HTV).该火箭在第一级和与 H-IIA 相同的第二级使用了两个 LE-7A 发动机。 H-IIB 比 H-IIA 大,直径 5.2 米,高 56.6 米。它推出了九 ISS 2009 年至 2020 年的再补给任务,成功记录为 100%。

H3 计划于 2014 年启动,以取代老化的 H-II 系列,以降低每次发射的总成本。与 H-IIA 相比,H3 与 H-IIB 更相似,是一种具有三种主要配置的两级一次性发射系统。 H3 直径 5.2 米,高度约 63 米,使 H3 成为日本有史以来建造的最大火箭。

H3 每次发射的起价为 4500 万美元(约合 50 亿日元),大约是 H-IIA 价格的一半。

H3 的第一级将使用两台或三台 LE-9 Hydrolox 火箭发动机,这是日本为太空运载火箭开发的最新火箭发动机。 LE-9 源自 LE-5 火箭发动机,将产生 1472 kN 的推力,比冲为 425 秒。此外,该发动机将采用膨胀机引气循环,类似于美国研制的BE-3U火箭发动机。 蓝色起源.

第一台 LE-9 发动机于 2017 年 3 月在种子桥航天中心火箭发动机试验台组装和安装。该发动机由 JAXA 设计,由三菱重工 (MHI) 制造。

第一台发动机 1-1 型成功完成了 2017 年 4 月至 2017 年 7 月计划的 11 次发动机测试中的 11 次。大多数测试成功完成了持续 2 到 78 秒的全持续燃烧。然而,由于涡轮泵转速问题,发动机测试三、八和九都提前结束。

从 2017 年到 2019 年,还成功测试了另外四台开发 LE-9 发动机。

2020 年初,三菱重工和 JAXA 开始测试用于 H3 火箭的第一台认证发动机。在 14 次计划测试中的第八次测试中,发现燃烧室壁和 LH2 涡轮分子泵存在问题。发现燃烧壁和涡轮泵有疲劳断裂。

这些问题已得到修复,但导致首次发射从 2020 年末推迟到 2021 年。 2021 年,LE-9 发动机继续接受认证测试,第二个获得认证的发动机目前正在进行十次测试中的第三次。 

H3 测试坦克和 LE-9 发动机通过“战舰”测试——来自 JAXA

LE-9 发动机在 2019 年和 2020 年通过“战舰”点火测试完成了几个重要的里程碑。第一次测试于 2019 年 1 月完成,在第一级测试坦克上使用了两台发动机。 2020年进行了三发“战舰”试验,同样使用了一级试验坦克。这些测试为 MHI 和 JAXA 提供了数据,以了解发动机将如何对多个发动机同时点火的压力做出反应。

两台或三台 LE-9 发动机将为 H3 火箭的第一级提供动力。如果使用任何 SRB 进行发射,第一级将使用两台发动机,如果不使用 SRB,则将使用三台发动机。第一级将产生 2,942 kN 或 4,413 kN 的推力,具体取决于飞行使用的发动机数量。

H3 火箭上使用的 SRB 是 SRB-3。 SRB-3 设计源自 SRB-A,用于 H-IIA 和 厄普西隆 火箭。 SRB-3 将比其前身略短,但具有更多固体推进剂,并在 2,158 kN 时产生更大推力。这些助推器中的零个、两个或四个可用于 H3 火箭的第一级。 

第一个完成的 SRB-3 于 2018 年 8 月进行了静态燃烧测试。 2019 年和 2020 年又进行了两次测试,以认证 SRB-3 的 H3。此外,2019年还完成了全面分离试验。

第一级和可选的 SRB 将加速第二级、有效载荷整流罩和有效载荷进入太空。第二级由单个 LE-5B-3 Hydrolox 发动机提供动力,将自身和有效载荷送入预定轨道。

LE-5B-3 是 LE-5 发动机的最新版本。新版本旨在提高性能,同时降低发动机成本。 LE-5B-3 将产生 137 kN 的推力,比冲约为 448 秒。它将像 LE-9 发动机一样使用膨胀机排气循环。

日本 Hydrolox 发动机的演变——通过 JAXA

LE-5B-3 于 2017 年首次进行了自己的认证测试,并成功进行了 20 次发动机点火。第二台发动机在 2018 年和 2019 年进行了测试,以完成发动机的认证。

第二阶段还将在其顶部放置有效载荷整流罩以保护其有效载荷。整流罩将有短款和长款两种型号,但直径均为 5.2 米。 2019年12月,顺利完成整流罩分离试验。

所有这些成功的测试都以组装 H3 试飞 1 号 (TF1) 运载火箭而告终。 2020年,发动机安装在TF1的第一级和第二级。这使得火箭在爱知县飞岛工厂进行了功能测试。

2021年1月,测试完成,火箭运往种子岛航天中心。一个月后,火箭连同两枚 SRB-3 被放置在 H-IIB 车辆装配大楼 (VAB) 的 5 号移动发射器 (ML-5) 上。该操作被称为车辆停放 (VOS),是火箭进行湿式彩排 (WDR) 之前的最后一个重要里程碑。一个模型有效载荷整流罩被放置在第二级的顶部。 

2021 年 3 月,H3 火箭被推出到吉信发射场 (LC-Y) Pad 2。到达 Pad 2 后,火箭装载了用于 WDR 的液氧和液氢。

Wet Dress Rehearsal (WDR) 是为火箭加油以在发射前测试火箭、倒计时程序和地面系统的地方。火箭进入发射倒计时,直到 T-8 秒,时钟按计划停止。试验完成,卸油。此后不久,火箭被回滚到 VAB。检查完毕,确认车辆状况良好。

LC-Y Pad 2 上的 H3 为 WDR 做好准备 – 通过 JAXA

从那时起,H3 一直在 VAB 等待 LE-9 发动机的未来测试和最终认证。 TF1 计划于 2022 年第一季度与先进陆地观测卫星 3 (ALOS-3) 一起发射。

TF1 将以 H3-22S 配置发射。配置的第一位数字显示第一级有多少 LE-9 发动机,可以是两个或三个。第二个数字显示有多少 SRB-3 将支持该任务。最后一封信说明了正在使用的整流罩。

对于 ALOS-3,它将配备两个 LE-9 发动机、两个 SRB-3 和短有效载荷整流罩。 H3 将把 ALOS-3 以 97.8 度的倾角带到 669 公里的轨道上,这是一个太阳同步轨道。

通过这些火箭配置,H3 将能够将 3 吨重物提升到太阳同步轨道或 6.5 吨到 1.5 公里/秒的地球静止转移轨道 (GTO),这意味着转移轨道上 1.5 公里/秒的 Delta-V需要到达运行地球静止轨道。

一旦 H3 投入使用,H-IIA 将在 2023 年退役。H3 稍后将支持商业通信卫星、科学和探索任务,包括 HTV-X 国际空间站货运补给船。

HTV-X (Kotonotori) 是 JAXA 为国际空间站提供的下一代货物补给船。 Kotonotori 旨在降低车辆的整体质量,同时允许更多未加压的货物进入国际空间站。它将能够在国际空间站停泊长达 6 个月,并在轨道上自由飞行长达 18 个月。它计划于 2022 年底在 H3-24L 上首次发射。

H3 和 Kotontori 也将有可能支持 NASA 网关 月球空间站。 H3 的未来变体将是三核 H3 重型火箭,用于将 HTV-XG 变体运送到月球轨道。 HTV-XG 也可能在其他较小的 H3 变体或美国运载火箭(如 Falcon Heavy)上发射。 HTV-XG 最早可能在 2025 年发射,H3 Heavy 最早可能在 2030 年发射。

(飞行中的 H3 火箭的主要渲染 - 通过 Mack Crawford for NSF/L2)

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