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    国外运载火箭型号发展总览之四—日本

    2017年5月19日 来源: 兰顺正

    日本航天技术的发展经历了从自主研发到引进消化再到自主研发的历程。日本早期的运载火箭主要靠引进美国的火箭技术进行研制,后期尽管一直在强调自主研发,但由于在政治上依附于美国,其无论是在航天政策方针,还是航天研制计划,乃至应用方面都与美国有着千丝万缕的关系。另外日本火箭之所以先进,与他们有着很好的工业基础密不可分。

    日本在役的运载火箭

    Lambda系列运载火箭

    日本运载火箭起步较早,早在1966年便用拉姆达运载火箭进行了首次发射,但不幸失败。1970年2月11日,日本用Lambda-4S-5多级固体运载火箭成功发射了第一颗人造卫星大隅号,抢先中国两个月,成为继苏、美、法之后第四个发射卫星的国家。然而大隅号卫星仅重9.4千克,而中国的东方红一号卫星重达173千克。当时日本航天专家也承认,日本火箭与中国火箭存在5年的差距。冷战结束后,日本开始发展新一代运载火箭,通过使用新技术,降低了发射费用。

    L-4S-5运载火箭及发射平台

    Mu系列和Epsilon运载火箭

    日本的Mu系列火箭基于L-4S火箭,第一代M系列火箭是M-4S火箭,它比L-4S试验火箭的运载能力提高了3倍。该箭为四级固体火箭,全长23.6米,直径1.41米,总重43.5吨,可将75千克的有效载荷送上近地椭圆轨道。第二代以后M系列火箭改为三级,型号分别为M-3C、M-3H、M-3S等。M-V是M系列运载火箭最大的一型,于三节式固态燃料的导弹或火箭中,总重约139公吨。L系列和M系列火箭均采用了较少见的斜向发射。M系列火箭2006年退役,由艾普斯龙运载火箭(Epsilon)代替。

    M-V发射情形,酬载ASTRO-E

    艾普斯龙运载火箭是日本的开发成本较低且能迅速装配的固态运载火箭,该火箭运用H-IIA运载火箭的固态辅助火箭(SRB-A)作为第一级。艾普斯龙为全长24.4米、直径2.6米、重91吨的三级火箭,大小仅有日本主力火箭H2A号的一半。能将重约1.2吨的卫星发射到高度约数百公里的低轨道上。作为2006年退役的M5火箭的后续型号,“艾普斯龙”能通过发射前自动检查这一“人工智能”来削减成本。 火箭分三级,第一级使用的是日本的主力火箭H2A号的固体燃料助推器,第二级和第三级则使用M5火箭的技术。

    Epsilon火箭的一个重要特点是低廉的研制和发射成本。Epsilon火箭根据更早的评估报告选定了运力范围,研发过程中综合了日本近些年来固体运载火箭技术上的新进展,在技术和性能上都相当出色,是国际新一代固体运载火箭的代表作之一。从发射准备时间看,Epsilon火箭不仅纵向上远远超越了日本自己的M-V火箭,而且横向上超过了美国的飞马座(Pegasus)、金牛座(Taurus)和米诺陶(Minotaur)等固体火箭,也比欧洲的织女星(Vega)大型固体火箭略胜一筹。虽然日本在最大固体运载火箭的排行上输给了欧洲空间局的织女星火箭,但自动化和先进程度则有过之而无不及。

    Epsilon运载火箭具有低廉的研制和发射成本,在技术和性能上相当出色

    N系列火箭

    N系列火箭是日本引进美国的“雷神-德尔塔”火箭技术后研制成功的系列火箭。这一系列包括两个型号,“N-1”火箭和“N-2”火箭。

    N-1运载火箭,技术源于美国德尔塔运载火箭,并授权于日本进行生产,第一节与雷神运载火箭相同,第二节则使用三菱重工设计的LE-3发动机,搭载三枚Castor辅助火箭。于1975年至1982年间共进行7次发射,6次成功,但第五次发射因卫星与火箭第三节在接触导致失败。N-I运载火箭后由N-II运载火箭取代。

    N-2运载火箭第一级与雷神运载火箭相同,第二级则为德尔塔-F,辅助火箭为Castor 2固态火箭发动机,上面級以Star-37E或Burner-2为主,与德尔塔0100系列运载火箭相同。于1981年至1987年间共发射8次,全部取得成功,后被H-I运载火箭所取代,H-I运载火箭标榜使用日本自制的上面級火箭。

    N-1-1 Prepares for Launch in 1975(左)/Thefirst N-2 launch in 1981(右)

    H系列火箭

    H系列火箭也有两个型号,“H-1”型和“H-2”型。“H-1”是一种三级常规燃料火箭,全长40.3米,直径2.4米,总重达140吨,可把1吨重的卫星送入地球同步转移轨道。“H-2”是一种两级液氢液氧燃料火箭,全长50米,直径4米,总重260吨,可把约9吨的有效载荷送上近地轨道,把2吨的有效载荷送上地球同步轨道。“H-2”火箭是日本目前最大的运载火箭,它的投入使用,将使日本的运载火箭提高到一个新的水平。

    准备发射的H-IIB火箭

    在H-II火箭的研制过程中,日本开发了先进的百吨级LE-7分级燃烧循环液氧液氢发动机、LE-5A膨胀循环液氧液氢发动机,这在当时火箭发动机中属于高端设计,性能相当出色。日本的LE-7发动机和美国的SSME、LE-5A、RL-10发动机也分别是当时世界上仅有的两种分级燃烧循环氢氧机、膨胀循环氢氧机,堪称火箭发动机高端的G2。

    由于H-II火箭成本太高,在商业上并不成功。日本随后研制了H-IIA火箭和H-IIB火箭,前者以H-II火箭为基础改进而来,使用性能稍逊但工艺和设计更可靠的LE-7A和LE-5B液氧液氢发动机,火箭运载系数相当出色。后者在H-IIA的基础上进一步改进,芯级直径增加到5.2米,芯级使用双发LE-7A发动机,可将16.5吨载荷送入国际空间站轨道。

    H-IIB火箭是日本最大和最先进的运载火箭,但只用于执行HTV货运飞船的发射任务,而且由于发射费用较高,计划2020年后将退役。

    目前,日本正在研制新一代H-III运载火箭,其延续了日本偏爱创新的传统,火箭发动机设计同样十分惊艳。H-III火箭继承了H-IIB火箭的5.2米直径液氧液氢芯级,将使用新研制的LE-9大推力液氧液氢发动机。这是一种开式膨胀循环液氧液氢发动机,通过开式膨胀循环的独特设计,实现了火箭发动机膨胀循环高可靠性和开式循环大推力的统一,在世界火箭发动机设计上自成一家。

    Logo mark for development of H3 Launch Vehicle

    H-III火箭第二级初期使用LE-5B发动机,后期可能改用开式膨胀循环的LE-11发动机,这是一种推力约27吨、真空比冲467秒的液氧液氢发动机,堪称有史以来综合性能最强的上面级发动机。

    以下列表记录了日本国现代航天事业的各次运载火箭的发射情况。1966年至2017年1月24日,日本共发射运载火箭107枚,平均每年发射2.10枚,其中发射成功93枚,失败14枚,达到了86.92%的发射成功率。

    其中SS-520-4是日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)在2017年1月15日发射的微型火箭,不过在约20秒后失去了来自火箭的信息,因此停止对第二段点火。此次发射宣告失败。该火箭搭载了东京大学开发的超小型卫星,与卫星一同掉入内之浦东南海域的海中。JAXA此前称这是将人造卫星投入轨道的全球最小火箭,不过相关技术尚不完备。

    SS-520-4微型火箭发射

    SS-520微型火箭是JAXA研发的探空火箭(Sounding Rocket)中的一种,早在1998年和2000年,SS-520-1型和-2型火箭就发射成功。

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