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从“星箭俱毁”事故看日本运载工具的研发现状

http://jczs.sina.com.cn 2003年12月02日 17:36 中国网

  日本当地时间2003年11月29日13时33分(北京时间29日12时33分),日本种子岛航天发射中心内,一枚H2A运载火箭点火升空,瞬间,火箭在隆隆火焰的衬托下,腾空而起,冲向云霄。按照正常的飞行程序,大约30分种后,地面人员可以通过遥测数据获知火箭是否发射成功。然而,火箭起飞后不久,地面人员发现火箭出现异常,固体助推器没有正常分离!大约10分钟后,在断定火箭无法按预定程序完成发射任务后,地面控制中心被迫发出自毁指令,火箭爆炸,星箭俱毁,残骸落入印度尼西亚附近的太平洋海域,价值数亿美元的运载火箭及其
上面的两颗侦察卫星数分种内“香销玉殒”。

  H2A运载火箭是当今日本最先进的运载火箭,它的研制始于20世纪90年代中期。1995年,日本空间活动委员会批准日本宇宙开发事业团开始研制H2A运载火箭。日本宇宙开发事业团是日本国内最主要的运载火箭技术研究机构,他们曾先后研制过N系列和H系列运载火箭。H2A运载火箭是H系列运载火箭中的最新型。它在旧型H2运载火箭基础上,对推进系统等关键技术进行了进一步开发,同时引入了“通用化、模块化、标准化”(简称:“三化”)的设计原则,使火箭的运载能力得到提高,同时大幅降低了发射成本,提高了国际市场竞争力。

  H2A运载火箭是日本目前唯一具备地球静止轨道(GEO)卫星发射能力的运载火箭。在商业卫星应用领域中,被大众广为使用的商业通信卫星大多选用GEO轨道,因而各国运载火箭制造商都争先研制GEO卫星运载能力更大的运载火箭,期望占据更多的商业卫星市场份额。为此,日本政府近年来也把H2A运载火箭作为首选型号。然而,这次事故使日本的航天运输业再受重撞。

  回顾过去几十年来日本航天运输工业的发展,可谓“历尽坎坷”。日本自从20世纪60年代末期开始研制运载火箭。根据1969年7月31日,日本与美国签订的一项空间合作协议,日本从美国引进了“雷神-德尔它”火箭技术,并以此为基础了开发研制了日本最早的卫星运载火箭——N1运载火箭。1977年2月23日,这型火箭成功地发射了日本的第一颗地球同步轨道卫星,标志着日本掌握了地球同步轨道卫星发射技术。为适应更大型卫星的发射需求,此后,日本又先后在70年代开发了N2,80年代开发了H1和H2几种高轨道运载火箭。1986年8月13日,H1(二子级)运载火箭首次发射,成功地将3颗卫星送入1500公里的地球圆轨道,这次发射使日本初次掌握了多星发射技术。1994年,H2运载火箭投入使用,它具有总体布局紧凑、运载系数(有效载荷质量/运载器起飞质量)高等优点,是上个世纪90年代日本最先进的运载火箭。不过,H2运载火箭的研制和发射过程也遭遇了多次失败。退役前,H2运载火箭共飞行7次,在1998年2月21日和1999年11月15日的最后两次发射中,连遭失败。这不仅使日本航天运输业蒙受了巨大损失,同时也使日本的火箭信誉受损。为此,1999年底,日本政府宣布停止生产H2运载火箭,转而全力研制H2A运载火箭。

  与H2运载火箭相比,H2A运载火箭同样是捆绑了固体助推器的二级液体芯级火箭,但在发动机和助推器捆绑组合方式上进行了改进,同时引入了“三化”设计原则,形成由多种型号组成的系列化运载火箭。H2A运载火箭一子级改用一台LE-7A液氢液氧主发动机,推力从912千牛提高到1100千牛,二子级改用一台LE-5B液氢液氧主发动机,推力从120千牛提高到137千牛。两种发动机全部具有节流能力,此外,LE-5B发动机还使用了高效的再生膨胀循环技术,它是目前世界上最先进的上面级火箭发动机之一。除日本外,欧洲和美国也进行了这方面的技术研究,准备在2005年以后,把采用这种技术的发动机应用于阿里安5改进型和德尔它4运载火箭。在助推器捆绑方式上,H2运载火箭一子级捆绑2个长23.4米,直径1.8米,净重70吨,推力1569千牛/个的固体助推器,而H2A运载火箭使用3种助推器:直径2.5米,长16.2米,净重75吨,推力2250千牛/个的SRB-A固体助推器;直径1米,长14.9米,推力745千牛/个的SSB固体助推器;以4米直径芯级为原型的液体助推器,它使用2台LE-7A发动机,可以提供2200千牛/个的推力。根据捆绑助推器的区别,H2A运载火箭可以分为:H2A-202、2022、2024和H2A-212几种型号。H2A-202运载火箭使用2个SRB-A,H2A-2022、2024在前一型号基础上,依次增加2个SSB。H2A-212运载火箭除捆绑2个SRB-A外,还捆绑1个液体助推器,它的地球同步转移轨道运载能力达到9.5吨,是已规划的H2A运载火箭中的最大型号。此外,日本还正在考虑研制超大型H2A运载火箭,它将捆绑2个液体助推器,运载能力超过10吨。

  2001年8月29日,H2A运载火箭首次鉴定飞行成功,这枚火箭的编号为H2A-202,11月29日发射的H2A运载火箭编号为H2A-2024,它具有5吨的地球同步转移轨道运载能力,这型火箭的首飞发生在2002年2月4日,29日的发射是该型火箭第四次发射,同时也是H2A系列运载火箭第六次发射,以前的几次发射全部获得成功。据遥测数据显示,发射当天,火箭起飞62秒时,其中一个SRB-A发动机喷管外侧的温度骤然上升,导致助推器分离系统导火索在高温下失效,并最终导致助推器在完成100秒的额定点火时间后无法正常分离,发射失败。

  虽然此次H2A运载火箭发射遭遇失败,但日本仍会把它作为新世纪初最主要的运载火箭型号参与国际竞争。由于采用“三化”设计原则,减少了设计和研制过程中大量的重复工作,因而使发射价格大幅下降。据介绍,以前H2运载火箭的平均发射价格为1.7亿美元/枚,而H2A系列运载火箭的销售价格不超过1.25亿美元/枚,其中与H2运载火箭运载能力相当的H2A-202运载火箭的发射价格只有8500万美元/枚,价格降幅达到50%。2002年,H2A运载火箭的商业销售业务交由日本火箭系统公司负责,至今H2A运载火箭还未获得新的商业发射订单。H2运载火箭停产前,美国劳拉公司和休斯公司都曾与日本签署过商业卫星发射合同,但由于H2运载火箭连续两次失败,2000年7月,休斯公司毅然取消了1996年签订的H2运载火箭发射合同,而此前,日本曾考虑把这些订单转给H2A运载火箭。2002年劳拉公司也曾考虑收回过去的发射合同。可想,发射失败会对用户置信度产生直接影响。

  与我国长征系列运载火箭不同的是,日本的运载火箭不在美国卫星出口许可制度的管辖范围之内。我国的长征系列运载火箭尽管多年来保持了明显的市场价格竞争优势,但却受到了美国方面的政治因素制约。他们不允许长征系列运载火箭发射美国制造的卫星,甚至不允许发射其他地区制造,但却使用了美国卫星零部件的卫星。多年来,美国的卫星出口许可制度成为了制约我国长征系列运载火箭竞争国际商业卫星发射市场的绊脚石,几份已到手的订单,都因美国的阻挠被迫放弃。从这个角度讲,日本的商用运载火箭具有一定的优势,但要想获得更多的商业利润,除提高性能、降低成本外,还必须提高火箭的可靠性,建立良好的用户置信度。

  (赵颖 中国运载火箭技术研究院)


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