不久前，据日本媒体报道，日本宇宙航空研究开发机构联合三菱重工研制的H-3新一代运载火箭因发动机出现问题，原本于今年一季度发射升空的计划确定被延期，这也是该火箭因发动机问题在一年多时间内的第二次推迟发射。
被寄予厚望的火箭
H-3火箭是日本研制的一种以商业发射为目标，用以提高市场竞争力的航天运载工具。根据日本此前公布的航天计划，该火箭将在2023年后完全取代自上世纪90年代以来一直作为主力箭种使用的H-2A火箭和H-2B火箭。
2013年5月，日本内阁航天运输系统委员会向日本政府提出研制H-3火箭的建议。2014年1月，日本政府正式批准为H-3火箭提供总额19亿美元的研制经费。
该火箭从立项开始就被日本各界寄予厚望。它作为H-2系列火箭的继承者，箭体长63米，起飞重量574吨，地球同步转移轨道的运载能力为7.9吨。
该火箭的一子级采用三菱重工研制的L-E9氢氧发动机，但与H-2A火箭的一子级采用单台LE7A发动机并捆绑至少2个固体火箭助推器不同，H-3火箭可配备0个、2个或4个助推器，并采用2台或3台L-E9发动机作为一子级火箭使用，以便能将更多种类的载荷送入范围更广的轨道。
值得一提的是，该火箭采用的L-E9是目前世界上第一种百吨级推力并使用开式膨胀循环技术的氢氧发动机。
日本在开式膨胀循环发动机研制领域的建树不少，H-2系列火箭上面级使用的LE5A发动机和LE5B发动机都采用了开式膨胀循环技术。其中，采用LE5B发动机作为上面级的火箭曾先后出现过两次飞行事故，但LE5B发动机都在预冷不充分和箱压不足的不利条件下正常起动并稳定工作，证明了开式膨胀循环发动机具有较高的启动健壮性和工作可靠性，因此，也坚定了日本在开式膨胀循环发动机技术道路上进一步发展的信心。
发动机多次故障拖后腿
多年来，三菱重工对H-3火箭打入国际航天发射市场满怀期待。按照该公司的说法，H-3火箭的发射成本只有H-2A火箭的一半，约3亿人民币，日本期待该火箭未来能在航天发射市场中占据一席之地。
事与愿违的是，H-3火箭的研制过程却一波三折。据悉，三菱重工早在2014年的技术论文中就重点强调L-E9发动机的超长燃烧室设计特点导致其振动问题比LE7A发动机严重。
日本宇宙航空研究开发机构和三菱重工原本的目标是在2020年底前进行首次发射，但在2020年5月对L-E9发动机进行试验时，燃烧室内壁破裂，涡轮也出现了裂痕。随后，日本科研人员对涡轮的设计进行调整，同年夏天对新设计的发动机再次进行试验，但仍没能取得成功。
2020年11月，日本宇宙航空研究开发机构证实，H-3火箭的首次发射被推迟，原因是火箭主发动机的燃烧室和涡轮泵发现了问题。调查发现，在发动机燃烧室内壁和涡轮泵的FTP叶片的开孔区域确认了疲劳断裂面。经科研人员分析，疲劳断裂产生的原因由共振引起，可能是发动机振动与火箭结构的共振频率的匹配性设计不合理。当时日本宇宙航空研究开发机构表示将重新设计涡轮，以排除所有工作范围内可能产生共振的结构特征值。
2021年1月，三菱重工将H-3火箭运到种子岛航天中心。3月，日本宇宙航空研究开发机构把组装好的火箭转运到发射台，以演练包括倒计时和推进剂加注等环节。
合练看上去进展顺利，但日本宇宙航空研究开发机构官员还是称，科研人员发现发动机依然存在振动问题。到了6月，经科研人员排查后，虽然发动机振动问题有所改观，但又发现了被描述为涡轮颤振的一个新问题，相关处置工作一直持续到了秋天，科研人员只好安装阻尼器，并做了旨在消除振源的调整。
发射日期仍未确定
保证液体火箭发动机涡轮泵正常工作一直是航天界的难题。因为液体火箭发动机涡轮泵的工作环境十分恶劣，不但要在高温、高压和高速运行条件下工作，还浸泡在常温、低温，或超低温的易燃、易爆、剧毒和强腐蚀性的推进剂中。同时，涡轮泵是液体火箭发动机的主要激振源之一，承受着范围宽广的动、静载荷。所以，涡轮泵容易发生故障，是科研人员重点监控的目标之一。
如今，H-3火箭离最初的发射时间已经推迟了1年多，虽然日本不断对L-E9发动机的设计进行修改并测试，但相关问题仍未得到解决，而日本宇宙航空研究开发机构仍不知道重新设计的涡轮泵是否管用。同时，H-3火箭的全箭点火试车日期仍未确定，因此，再次推迟发射就在情理之中。
日本宇宙航空研究开发机构理事长山川宏表示，虽然H-3火箭的科研团队对首飞在一年多内第二次被推迟发射感到不快，但首飞仍有望不晚于明年3月进行。
其实，H-3火箭发动机不断出现问题也跟日本这些年航天发射数量少有关系。近年来，由于日本航天发射任务不多，火箭的生产数量较少，加之发动机试车总时长不足，没有更多的经验来快速解决新型火箭发动机遇到的技术问题，且航天的总投入也不足，种种原因加在一块儿，就导致了H-3火箭的问题频出。
该火箭的不断推迟，也将影响到日本的相关计划，难以在目前如火如荼的商业航天发射市场上分一杯羹。
（本文原载于2月19日《中国航天报·飞天科普周刊》一版）
文/兰顺正
本文转自中国航天报
