【国外航天资讯】H3火箭再次推迟发射，LE-9发动机又出现了什么新问题？

本文转载自北京航天动力研究所公众号 原文发表于2022年4月12日

图1  正在开发的 LE-9 发动机—H3火箭的第一级将安装2到3台LE-9发动机

    日本宇宙航空研究开发机构 (JAXA) 于2022年初举行了关于日本新一代主力火箭H3的新闻发布会，并宣布已放弃其计划在 2021 年内发射第一枚火箭。LE-9发动机作为火箭第一级发动机的研制发现了一个新问题，需要时间来处理。

  这是H3火箭研制的第2次推迟。上次是从 2020 年到 2021 年推迟一年，但是这次重新推迟的期限没有说明，可见 JAXA 也是谨慎的。LE-9 发生了什么？

解决燃烧室壁的问题

LE-9发动机是氢氧火箭发动机。这种推进剂组合本身与 H-IIA 火箭的第一级发动机LE-7A相同，但主要区别在于采用了开式膨胀循环。虽然性能低于分级燃烧循环，但结构简单易于降低成本。日本已将开式膨胀循环用于2级发动机，LE-9发动机是世界上第一台应用开式膨胀循环作为主级的发动机。

图2  LE-9 发动机（C）JAXA

    在 2020 年 5 月进行的燃烧测试中，在LE-9发动机中发现了异常情况。试验后拆开发动机，详细检查后，确认了以下2种问题。为了解决这些问题，在2020年9月决定推迟发射。

1、燃烧室壁的开口

2、液氢涡轮泵（FTP）涡轮疲劳

    在第1个问题中，总共发现14处最大宽度为0.5mm、长度约为10mm的裂缝。原以为原因是燃烧室壁的温度比预期的高，但高温的原因是“稳态时局部热量流入”和“启动/停止过渡期间暂时冷却不足”。

    此后，从2020年11月起，又进行了9次燃烧试验。从测试数据和模拟结果来看，估计问题出在稳定燃烧过程中，发现由于高温循环导致变形累积造成开口。

图3  内壁因高温而变形。不断累积造成开口（C）JAXA

    由于需要更有效地从发动机中去除热量，燃烧室和用于冷却的液氢彼此相邻的内壁被制成尽可能薄。吸热效率是膨胀循环的核心。为了增加吸热效率，内壁厚度为0.7毫米，接近技术极限，因此需要瞄准极限，通过增加冷却槽的流量，将壁温设置为在上限以下运行（约 1,100K）。

涡轮泵出现的新问题

    在最初涡轮泵出现的问题中，在涡轮的第二级叶片的76个叶片中的2个发现损坏。为此引入了一种称为叶片振动测量测试的新方法，以直接测量涡轮泵运行过程中叶片的扭曲程度。结果发现，共振发生在最初没有预料到的频率上。

图4 涡轮泵结构。右图为内部旋转体，氢涡轮和氧涡轮的形状差异很大（C）JAXA

共振是物体与外部振动同步地振动的现象。这可以通过改变物体的特征值（共振频率）来避免，因此改变叶形作为对策。当用新设计的涡轮再次进行叶片振动测量试验时，改进效果得到了证实。

    然而，在这次测试中，涡轮机又发现了一个新问题。这一次，第一级圆盘有5处出现裂纹。这是由于颤振，而不是共振。颤振是由物体的运动及其周围流动的液体或气体引起的振动现象。发生的原因与共振的原因不同。

图5  共振已经解决时，这一次发生了颤振。两者都是振动现象（C）JAXA

    此外，该问题最初仅在液氢侧的涡轮泵上被发现，将液氧涡轮泵（OTP）的设计改为水平部署，以尽可能避免涡轮机的共振。在叶型振动测量测试中确认了改进。

   这次的问题分别在液氢侧和液氧侧出现，需要采取额外措施，作为针对这些振动现象的对策，有(1)振动源的调整、(2)特征值的调整、(3)阻尼力的强化等方法，这3项措施将被纳入设计达到一种平衡的方式。目前正在实施多项对策解决出现的问题。

图6  叶形振动测量测试中，可以将应变传感器连接到动叶片上，以测量实际运行条件下的数据(C)JAXA

结束语

图7  H3火箭 项目经理 冈田正史

对于再次延期，H3火箭项目经理冈田正史表达了自己的感受，“我很失望”。“LE-9 发动机距离完成仅一步之遥，我们必须谨慎而坚定地迈出这一步。我们并非处于不知道该做什么的境地，但我们正在选择最佳答案。”

    虽然冈田项目经理没有具体说明新推出的年份，但这并不是一个严重的情况，不知道需要多长时间，而且期限会根据改进措施而发生很大变化， 2022 年内发射是很有可能的。

  H3火箭已经决定发射Inmarsat卫星。如果开发明显延迟，客户可能会离开，为了保证可靠安全地发射，将对问题进行全面思考，处理发现的所有问题，并充满信心地开展工作。

文章及图片来源：https://news.mynavi.jp

编译：路晓红

审校：马晓秋

编辑：路晓红

监制：郝京辉    张新