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松鼠的空天随笔

 
 
 

日志

 
 

从H-IIB成功发射看中日航天差距  

2009-09-14 10:39:24|  分类: Space |  标签: |举报 |字号 订阅

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 从H-IIB成功发射看中日航天差距 - squirrel - 松鼠的空天随笔

2009年9月11日H-IIB首次发射

       2009年9月11日凌晨,东京时间(东9区)2时01分46秒,日本宇宙研究开发机构(JAXA)开发多年的H-IIB重型火箭成功点火发射,火箭运输的载荷为H-II火箭转移飞行器(HTV)。1分50秒后,H-IIB捆绑的固体助推器SRB-A燃尽,并于2分05秒后开始分离;3分42秒后,整流罩分离;5分47秒后,主发动机关机;5分56秒后,火箭一二级分离;6分03秒后,第二级发动机点火;14分19秒后,第二级发动机关机;发射后第15分10秒,也就是东京时间凌晨2时16分56秒,北京时间凌晨1时16分56秒,载荷HTV分离,至此H-IIB火箭发射成功。在技术上这对于世界航天事业来说,是微不足道的一步,对于日本航天来说,却是踏踏实实的一大步,这标志着日本在航天运载工具上彻底甩开了中国同行,同时货运飞船上远远领先于中国。从H-IIB成功发射看中日航天差距 - squirrel - 松鼠的空天随笔

       NASDA派生自Delta的早期运载火箭

 对此我们需要回顾一下历史,日本航天事业尤其是运载工具的开始,离不开美国Delta火箭的话题。从N-I火箭到N-II火箭再到H-I火箭,第一级始终是许可证制造的雷神德尔塔第一级,采用推力866KN的液氧煤油发动机MB-3-3,助推器则是推力259KN的TX-354-3固体发动机,可以说,没有美国Delta火箭技术的引进,就没有1990年代以前的日本火箭。固然,MB-3-3的最大推力要比同时代中国的推力只有750KN的YF-20发动机大,但是许可证制造的现实,实在是对自诩科技大国的日本无言的讽刺。此间尽管日本独立开发了先进的LE-5液氧液氢(LOX/LH2)发动机,但是使用LE-5的H-I火箭首次发射时间是在1986年8月12日,同样是燃气发生器循环的发动机,中国的YF-73液氧液氢发动机已经在1984年4月8日长征3号发射试验通信卫星中成功使用了。

转折点在1984年,宇宙开发事业集团(NASDA)决定独立开发H-II,日本航天运载工具就此踏上全国产化的道路;同年美国总统里根正式宣布美国将研制大型空间站,邀请欧洲日本加拿大等盟友参加。以此为契机,宇宙开发事业集团为日本载人航天事业投入巨资。计划开发希望号太空舱段,参加空间站的建设,还规划了希望号小型无人航天飞机的开发。

三菱重工为H-II火箭开发了世界上第三种大推力液氧液氢分级燃烧发动机LE-7,配合H-I的LE-5发展出来LE-5A液氧液氢膨胀循环发动机,组成了技术上炫目无比的H-II火箭。但是开发的道路并不顺利,低温氢氧发动机本来就是高技术的领域,分级燃烧的发动机更是难上加难,开发中遇到过密封问题氢气泄漏,还发生过发动机爆炸工程师牺牲的事故,至于各种子部分延迟更是家常便饭。原定1992年LE-7投入使用,但是实际上1994年H-II才首次发射。不过这种代价是值得的,第一级和第二级全氢氧发动机的豪华配置,使H-II对比同时代的火箭,运载系数提高了几乎一倍,换句话说,可以用同样的起飞重量将两倍于竞争火箭的载荷送入轨道。而此时,中国正在总设计师“以经济建设为中心”的口号下,大规模缩减一切技术投资,如果不是被砍掉的话。预算削减中军费更是重中之重,靠军费维持的中国航天,投资在此后十几年的时间里少之又少,除了1994年把更成熟的YF-75液氧液氢发动机投入使用外,就再没什么成绩了。考虑到当年整个航天一院都在为休斯公司打工,为了承接外国卫星发射才开发的长征二号捆绑火箭和长征三号乙火箭,能有这样的成绩已经不错了。

高技术的同时也就是高风险,H-II火箭的可靠性并不好,7次发射2次失败,而且是1998年和1999年连续发射失败。同时尽管日本人在费用控制上还算不错,但祸不单行同期日元升值几乎一倍,让H-II彻底失去进军国际发射市场的机会。同期日本的希望号航天飞机只是进行了缩比模型飞行的试飞,航天飞机在技术上跨度太大,同时耗费高昂,宇宙开发事业集团的技术冒进以失败告终,只好转回飞船路线,1997年开始HTV的开发。此时中国的长征3乙火箭在地球低轨道(LEO)和同步转移轨道(GTO)的运载能力都凌驾于H-II之上,1999年神舟1号飞船成功发射返回。国人对日本火箭只有高技术但非常不可靠的印象,也多来自于此时。但是这只是西方最后的残阳而已,将近二十年来对火箭发动机几乎没投资的后果,此后日益显现。HTV设计技术上远远领先于神舟系列的事实,也被有意无意中忽视了,更不要说同样正在开发中的国际空间站最大舱段希望号。

H-II火箭成本高昂,早在连续失败前,为了提高日本火箭的竞争力,宇宙开发事业集团于1995年启动了H-IIA火箭开发计划。尽管只有一字母之差,但是发动机已经更新为LE-7A和LE-5B。H-IIA火箭的LE-7A发动机,尽管降低了性能指标,但是作为性能关键的比冲指标,仍然高达442秒,同时造价和可靠性都还算满意。至于LE-5B发动机,尽管比冲也有所下降,只有447秒,但是膨胀循环发动机固有的高可靠性,易于多次启动等特性,配合低造价,这是一款很不错的上面级发动机。新火箭H-IIA整个设计对比H-II改变很大,只有很少部分和H-II通用,设计上力求降低成本,提高可靠性,工程上完全可以看做是一个新型号。  

 自2001年首发射以来,H-IIA火箭15次发射14次成功。2003年第6次发射失败后,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,在此后更加重视可靠性的工作。H-IIA的发射费用也降低到9000万美元左右,高可靠性和低使用费用满足了开发要求,更扭转了H-II连续发射失利使日本航天面临的尴尬局面。与此同时,进入21世纪后,中国航天终于得到越来越多的经费,也开始正式开发新一代的液氧煤油发动机YF-100和液氧液氢发动机YF-77,但是过去二十年技术上的原地踏步,不是一朝一夕能补上的,比之1984年开始开发的分级燃烧的LE-7,YF-77最后采用的是技术上差一些的燃气发生器循环方式,推力也小得多。

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H-IIA系列火箭运力

       2004年,日本宇宙研究开发机构开始H-IIA重型型号的的开发,2005年简化设计,不再采用新的液体助推器,而是简单的捆绑技术成熟,在H-II和H-IIA上多次成功使用的SRB-A固体助推器。同时开发新的5.2米芯级箭体,芯级一子级采用双LE-7A并联的方式,新型火箭重命名为H-IIB,开发费用260亿日元,约为2.9亿美元。从H-IIB成功发射看中日航天差距 - squirrel - 松鼠的空天随笔

            H-IIB火箭采用双LE-7A发动机并联的5.2米芯级

高比冲的发动机并联,辅以更多的高比冲液氢燃料,可以提供更大的总冲,带来更大的运力。自长征2号采用4台YF-20并联30多年后,日本人也开始采用发动机并联设计了,于是一种地球低轨道运力16.5吨,同步转移轨道运力8吨的新型重型火箭就此诞生。2009年9月11日,H-IIB首次发射,将12年前就开始开发的HTV打进入轨道。作为日本航天机构12年时间680亿日元开发的回报,HTV正常重量16.5吨,运输能力高达6吨,远高于国际空间站现用的只有2吨运力的进步号货运飞船。其分为加压货舱,非加压货舱,电子舱和推进舱的模块化设计,使其易于改装灵活应对各种任务,还很有可能以此为基础开发出载人飞船甚至更进一步作为空间站舱段。

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模块化的HTV飞船

而且它的单价只有140亿日元,算得上相当的物美价廉了。日本宇宙研究开发机构计划到2015年为止,每年发射一艘HTV飞船,和欧空局自动转移飞船(ATV),俄罗斯的进步号货运飞船一起共同负担起国际空间站货运的重任。令人尴尬的是,中国此时低轨道和转移轨道运力最大的火箭,仍然是十多年前就存在的长征三号乙,近些年的增强型,只是低轨道运载能力提高到12吨,转移轨道运载能力提高到5.5吨。在2003年神舟5号发射成功后,中国载人航天的进度极大的放缓,在2009年,代表国际顶级水平的日本HTV货运飞船发射成功之际,设计技术落后于时代的神舟飞船就刺人眼了,计划中的空间站一拖再拖,配合空间站使用的货运飞船自然只能更向后推迟,而且货运飞船技术水准在HTV之后姑且不论,它的运载能力5.5吨也要稍逊于HTV货运飞船。不要说什么够用就好,载人航天领域很长时间以来或许很久以后都没什么经济效益,更没什么军事效益,就是比拼国家形象的舞台。

十多年前,面对技术高一个档次的H-II,我们说它可靠性不高。毕竟446秒比冲的LE-7,实在不是垂垂老矣的YF-20那298秒的比冲比得了的;452秒比冲的LE-5A,也比燃气发生器循环,440秒比冲的的YF-75好了很多,说性能,实在差太多。不过高技术本来就伴随着高风险,对火箭发动机来说,一个型号上可靠性提高相对容易,性能大幅度提高却不可能。到了H-IIA的时代,14/15的成功率,已经不好说可靠性问题了,但是还可以说运载能力。H-IIA火箭的运力,不过是和长征火箭不相上下,在H-IIA 204型号于2006年发射前,同步转移轨道的运力,H-IIA系列长期不如长征三号乙。到了现在,H-IIB发射成功,16.5吨的低轨道运力与8吨的同步转移轨道运力,已经不是中国任何一个型号比得了的。在2014年长征5E发射前,长征火箭的运载能力会一直居于人后,现在再没有什么可自欺欺人的了。在载人航天上,日本走错了路,更好的技术基础,更富裕的预算支持和更早的开发时间,天意弄人被中国甩下,但是我们飞船的技术水准落后于时代是不争的事实。根据日本宇宙开发机构的远景2025年规划,HTV的载人衍生型号是并不遥远的威胁。如果因日本宇宙开发机构还没有载人飞船而沾沾自喜,放松新一代客运与货运飞船的开发,那么在预算资金高于日本同行的情况下,在国人引以为自豪的载人航天上被横空出世的HTV衍生载人飞船赶超,对于中国航天部门的形象与中国国家形象的打击将是灾难性的。

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JAXAHTV载人飞船概念图

回首过去三十年的历史,日本航天在持续稳定的预算支持下,把中国航天彻底赶超过去。不过好在近几年来,中国航天的预算已经凌驾与日本至上,日本用了20年在运载工具超越中国,或许我们也需要同样多甚至更长的时间赶超过去。此次H-IIB的发射成功,对于沉浸在中国火箭领先中的人来说,不吝于一记响亮的耳光,肯定很多人接受不了。而HTV的技术先进性,在中国10年前就发射神舟飞船的影响下,对纠结于中日航天技术的看客而言或许无所谓,但是有一天货运的HTV转型为客运的时候,大家还会无所谓么?新一代飞船的开发,是到了提速的时候了。

面对日本在运载火箭和货运飞船上的领先,我很希望中国的政治领导人能有美国人面对苏联进行首次航天发射后的气量,痛定思痛之后,为我国航天事业提供充沛与稳定的预算支持,有充足预算的话,踏踏实实的在航天技术上展开全面竞赛,技术上重新走到日本前面,只是个时间问题。

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