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日本H-2A火箭对我国火箭技术发展的启示

2012-4-9 18:31| 发布者: admin| 查看: 1090| 评论: 0|原作者: admin|来自: 航天频道

摘要: 2009年1月,国家航天局局长孙来燕应邀访问日本,同日本航天界进行了广泛的接触和交流,并参观了H-2A火箭的第15次发射(发射世界上第一颗温室气

2009年1月,国家航天局局长孙来燕应邀访问日本,同日本航天界进行了广泛的接触和交流,并参观了H-2A火箭的第15次发射(发射世界上第一颗温室气体观测卫星)。通过这次访问,我们对日本运载火箭的现状和发展有了进一步的了解。“他山之石,可以攻玉”,H-2A系列火箭的发展有很多值得我们借鉴之处。

  一、H系列运载火箭的发展历程

  目前日本的运载火箭以H系列火箭为主,现役火箭为H-2A,并正在研发H-2B火箭。在其运载火箭发展历程中,既有过H-2火箭连续成功、成为当时世界上最先进运载火箭之一的辉煌,也有过由于可靠性设计的缺陷使H-2火箭连续失利而被迫弃用的挫折。现在日本航天的发射任务主要由改进后的H-2A火箭承担。
  H-2A系列运载火箭是由日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)领导、三菱重工业公司牵头研发和制造的新型运载火箭,也是当前日本航天运输体系中的主力火箭。该火箭在2001年8月首飞,至2009年1月共发射15次,其中1次失败,成功率为93.33%。
  H-2A火箭的前身是H-2火箭。H-2火箭研制成功后,其造价和发射费用太高(每次发射需花费1.5~1.7亿美元),在国际商业卫星发射市场上缺乏竞争力;而且在成功进行了5次发射后,接连出现2次发射失败,暴露出其可靠性方面存在问题。此后H-2火箭被停用。
  在此之前,日本为满足21世纪的航天发射需求,增强在航天发射市场上的竞争力,启动了H-2A计划。

1995年H-2A计划获得批准开始研制。在H-2A计划初始阶段,将发射任务分为迫切需求和潜在需求两类。在研发新型火箭时,通过H-2A火箭的不同型号组成一个系列,优先研制满足迫切需求的型号(标准型)。这些型号研制成功后,以此为基础进一步完成满足潜在需求的型号(重型),并采取了分步走的方略来安排研制进度。
  1999年在H-2火箭连续两次发射失败被停飞后,H-2A的研制进程开始加快。当时,日本航天界认为“当务之急是既要通过成功发射重拾信心,又要在国际航天发射市场上占有一席之地”,因此把经济性和可靠性放在最重要的地位。同时,为了缩短研制周期并降低研制成本,以H-2火箭为基础,利用H-2火箭研制和应用中积累的经验,根据不同分系统的具体情况,将继承、改进和重新设计三种途径相结合,研制H-2A系列运载火箭。
  根据日本航天的发展状况和航天计划的调整,H-2A系列由标准型和增强型组成,包括H2A202、H2A2022、H2A2024(这三种通称标准型)和H2A204(增强型)。该系列的各型号基本上都使用通用的分系统和组件,通过模块化设计,采用相同的火箭结构模块的不同配置来组成不同型号。因此H-2A系列火箭的不同型号按照组成模块的数量和种类命名:型号“H2Aabcd”中,a表示火箭级数,b表示液体火箭助推器(LRB)个数,c表示固体火箭助推器(SRB-A)个数,d表示小型捆绑助推火箭(SSB)个数。


H-2A是以H-2运载火箭为基础研制的,因此H-2A被称为H-2的后继型号,但由于设计改进幅度很大,两者只有少数部件相同,因此从工程角度来讲,H-2A完全可以被认为是一个全新的型号。

在H-2A研制计划中,提出了火箭设计改进目标:
  (1)使系统更为可靠、耐用,可靠性大于0.97。
  (2)增加运载能力和对未来各种有效载荷发射任务的适应能力。
  (3)提高单位成本效益,使发射成本降低50%以上,每次发射费用为7700~8100万美元。
  为达到此目标,遵循如下设计改进准则:
  (1)通过研制,形成系列运载火箭,逐步提高运载能力。
  (2)各型号使用相同的芯级,通过采用不同型号或不同数目的助推器,获得不同运载能力的组合。
  (3)优化设计,以便简化操作、降低成本。
  (4)采用H-2火箭的研制成果或引进国外技术,使研制工作的技术风险、费用和周期降到最低程度。
  遵循这样的准则,H-2A系列运载火箭在火箭结构设计、发动机、固体助推器和其他许多部件上都比H-2火箭有很大的改进,参见表1。

改进后H-2A的实际发射成本大幅下降,如标准型H-2A的实际发射成本从H-2火箭的1.5~1.7亿美元降到约9000万美元;火箭零部件减少了20%,由原来的35万个减少到28万个。另外,在2003年11月进行的第6次H-2A发射失败后,JAXA根据事故调查的结果,把可靠性提到首位,对整个火箭系统重新进行评估,并在此后的研发和改进工作中加大了对提高可靠性的投入。
  目前,H-2A系列火箭的4种型号都已投入使用,其中最后一个型号——H-2A增强型,即带有4个固体火箭助推器(SRB-A)的H2A204型火箭于2006年12月18日成功完成首飞。2009年1月23日,H-2A火箭将全球首颗温室气体观测卫星(GOSAT)送入轨道,至此H-2A火箭已完成15次发射,其中成功14次(见表2)。经过不断的努力,H-2A系列火箭已经成功扭转了H-2火箭使日本航天面临的不利局面。

  为实现研发计划中增强国际市场竞争力的初衷,日本自2002年开始推行H-2A火箭项目私有化进程,以促进市场化。到2007年将火箭生产和营销业务已全部转入三菱重工麾下,但由于发射价格昂贵,H-2A火箭进入国际商业发射市场仍举步维艰。2008年,三菱重工决定大幅降低H-2A火箭的发射价格,从9000万美元降至6000~7000万美元,并把从签约到发射升空的合同完成期压缩三分之一,以使H-2A火箭具备国际竞争力。2009年1月12日,三菱重工终于与韩国签署了用H-2A发射“韩国多用途卫星”3(KOMPSAT-3)的发射合同。这是H-2A的第一个海外发射合同,计划于2012年3月31日结束的2011财年进行发射。
  针对H-2转移飞行器(HTV)的发射任务,日本正在研制H-2B火箭。H-2B研制计划源于H-2A预研阶段提出的“满足潜在需求”的型号,即在H-2A标准型研制成功后开始研制H-2A改进型(又称重型)火箭。2004年H-2B启动研制。2005年日本进一步简化了H-2A重型运载火箭的设计方案:不再采用液体火箭助推器,而是将火箭芯级的一子级直径从4m增加到5.3m,并在火箭芯级的一子级安装两台LE-7A发动机,芯级四周捆绑两对固体火箭助推器(SRB-A)。这种新火箭用于发射质量为16.5t的HTV,向国际空间站运送货物;也可将质量约8t的其他类型有效载荷(单星或双星)送入地球同步转移轨道。新火箭被重新命名为H-2B。与此同时,日本从2005年开始在H-2A火箭的发射中逐步测试一些用于H-2B的技术。
  比较图2中最初规划的H-2A重型火箭与图5所示的目前正在研制的H-2B,可以看出技术方案发生了很大变化,火箭已由最初的捆绑大型液体助推器改为捆绑固体助推器,芯级直径也由4m增加到5.3m,运载能力指标也有变化。
  由于H-2B火箭的绝大部分组件都已在H-2A上成功运用,其研制时间得以缩短,研制成本和风险也因此降低。H-2B重型火箭的单位质量有效载荷发射费用较低,预计发射两颗卫星的成本约为1.14亿美元,将进一步提高经济性。H-2B火箭计划于2009年9月首次发射。

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