北京時(shí)間2023年2月17日09:37，搭載“大地3號(hào)”（DAICHI-3）光學(xué)遙感衛(wèi)星的H3/TF1運(yùn)載火箭，從日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA ）鹿兒島縣種子島宇宙中心（TNSC）吉信發(fā)射場(chǎng)（Yoshinobu Launch Complex）點(diǎn)火，由于出現(xiàn)故障，發(fā)射中止，具體原因有待進(jìn)一步排查。

在此次點(diǎn)火起飛過(guò)程中，火箭芯級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了短暫的點(diǎn)火燃燒，并激起了冷卻水霧，短暫點(diǎn)火后，故障檢測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到故障，停止發(fā)送固體火箭點(diǎn)火指令，芯一級(jí)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)LE-9關(guān)機(jī)熄火，首飛中止進(jìn)行。究其原因最有可能的還是動(dòng)力系統(tǒng)故障，芯一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)又出故障的可能性不小。

H3運(yùn)載火箭最大構(gòu)型采用兩級(jí)半構(gòu)型，包含芯一級(jí)、芯二級(jí)、整流罩以及芯一級(jí)捆綁的助推器構(gòu)成，芯級(jí)和整流罩直徑均為5.2米，助推器直徑2.5米。該箭芯一級(jí)配備2至3臺(tái)LE-9開(kāi)式膨脹循環(huán)液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)，是專(zhuān)為H3研制的發(fā)動(dòng)機(jī)，也是世界航天第一型百?lài)嵓?jí)開(kāi)式膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，開(kāi)式膨脹循環(huán)是日本氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的獨(dú)特路線(xiàn)。

日本航天液體主動(dòng)力專(zhuān)注于液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)，包含開(kāi)式膨脹循環(huán)和分級(jí)燃燒循環(huán)（閉式）兩條路線(xiàn)，對(duì)應(yīng)發(fā)展了LE-5系列和LE-7系列發(fā)動(dòng)機(jī)，兩個(gè)系列均基于日本最早的低溫液體發(fā)動(dòng)機(jī)、采用燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)（開(kāi)式）的LE-5研制而來(lái)，其中LE-7系列采用分級(jí)燃燒循環(huán)（閉式），先后發(fā)展了LE-7、LE-7A等2型發(fā)動(dòng)機(jī)，前者用于H-II火箭的芯一級(jí)，后者用于H-IIA/B火箭的芯一級(jí)；LE-5系列先后發(fā)展了LE-5、LE-5A、LE-5B、LE-5B-2、LE-5B-3等5型發(fā)動(dòng)機(jī)，其中LE-5用于H-I火箭的芯二級(jí)，LE-5A用于H-II火箭的芯二級(jí)，LE-5B、LE-5B-2用于H-IIA/B火箭的芯二級(jí)，LE-5B-3則用于H3火箭的芯二級(jí)。

在過(guò)往的飛行實(shí)踐中，分級(jí)燃燒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)LE-7系列先后出現(xiàn)了一些問(wèn)題并導(dǎo)致了事故的發(fā)生，可靠性存在一些問(wèn)題，并且結(jié)構(gòu)和技術(shù)相對(duì)復(fù)雜，而除LE-5之外，采用開(kāi)式膨脹循環(huán)的LE-5系列其它發(fā)動(dòng)機(jī)則表現(xiàn)出了較好的穩(wěn)定性，該系列曾先后出現(xiàn)過(guò)2次飛行事故，但該系列發(fā)動(dòng)機(jī)都在預(yù)冷不充分和箱壓不足的不利條件下正常起動(dòng)并穩(wěn)定工作，證明了開(kāi)式膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)具有較高的啟動(dòng)健壯性和工作可靠性。鑒于兩個(gè)系列發(fā)動(dòng)機(jī)的具體表現(xiàn)，又基于大推力開(kāi)式膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目LE-X的技術(shù)突破，日本H3火箭選用了結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、更可靠的開(kāi)式膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)LE-9。

LE-X發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目的研制基礎(chǔ)是LE-5B發(fā)動(dòng)機(jī)，推力為137千牛，燃燒室壓強(qiáng)為3.58兆帕，而LE-9推力達(dá)到1471千牛，燃燒室壓強(qiáng)達(dá)到10兆帕。相較而言，后者的推力是前者的10倍以上，燃燒室壓強(qiáng)接近前者的3倍，可以看出LE-9是LE-5B的極致放大版，為此采用了超長(zhǎng)燃燒室設(shè)計(jì)，這也成為了問(wèn)題層出不窮的主要原因，而解決這些問(wèn)題耗費(fèi)了一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，使得H3火箭發(fā)射一再推遲。

作為發(fā)動(dòng)機(jī)研制方，三菱重工早在2014年的技術(shù)論文中就重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)L-E9發(fā)動(dòng)機(jī)的超長(zhǎng)燃燒室設(shè)計(jì)特點(diǎn)導(dǎo)致其振動(dòng)問(wèn)題比LE-7A發(fā)動(dòng)機(jī)嚴(yán)重，但是問(wèn)題并未解決。2020年5月，在對(duì)LE-9發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，燃燒室內(nèi)壁破裂，渦輪也出現(xiàn)了裂痕，而即便對(duì)渦輪的設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整，并于同年夏天再次進(jìn)行試驗(yàn)，仍沒(méi)能解決問(wèn)題，這導(dǎo)致原計(jì)劃在2020年底前進(jìn)行的首次發(fā)射不得不推遲。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)壁和渦輪泵的FTP葉片的開(kāi)孔區(qū)域確認(rèn)了疲勞斷裂面，而疲勞斷裂產(chǎn)生的原因由共振引起，可能是發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)與火箭結(jié)構(gòu)的共振頻率的匹配性設(shè)計(jì)不合理。當(dāng)時(shí)JAXA表示將重新設(shè)計(jì)渦輪，以排除所有工作范圍內(nèi)可能產(chǎn)生共振的結(jié)構(gòu)特征值。

2021年3月，H-3火箭在發(fā)射場(chǎng)順利進(jìn)行了合練，但是LE-9發(fā)動(dòng)機(jī)卻被發(fā)現(xiàn)依然存在振動(dòng)問(wèn)題。到了6月，雖然發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)問(wèn)題有所改觀(guān)，但又發(fā)現(xiàn)了渦輪顫振的新問(wèn)題，應(yīng)對(duì)辦法就是安裝阻尼器，并做了旨在消除振源的調(diào)整，工作一直持續(xù)到了秋天。

2022年初，在不斷對(duì)L-E9發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)進(jìn)行修改并測(cè)試之后，問(wèn)題仍未得到解決，原本當(dāng)年一季度進(jìn)行的發(fā)射又被推遲，但是首飛仍瞄準(zhǔn)不晚于2023年3月進(jìn)行。2022年9月1日，JAXA宣布一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)故障問(wèn)題已通過(guò)變更設(shè)計(jì)等措施得到解決，力爭(zhēng)在2022年度內(nèi)執(zhí)行H3首飛。

相較于與H-IIA/B芯一級(jí)采用分級(jí)燃燒循環(huán)（閉式）的LE-7A發(fā)動(dòng)機(jī)，H3芯一級(jí)采用開(kāi)式膨脹循環(huán)的LE-9發(fā)動(dòng)機(jī)的初衷就是為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、提升可靠性、降低成本，但是要實(shí)現(xiàn)開(kāi)式膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)從十噸級(jí)到百?lài)嵓?jí)的跨越，困難超出了預(yù)期，導(dǎo)致H3火箭的首飛一波三折。

最終，在幾經(jīng)延宕之后，H3火箭終于在北京時(shí)間2023年2月17日上午迎來(lái)了首飛，只是在一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火之后，箭體故障檢測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到異常，停止向固體火箭發(fā)送點(diǎn)火指令，并關(guān)閉了芯一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)射任務(wù)中止。此次故障的具體原因還有待進(jìn)一步排查，根據(jù)安排H3火箭將排空推進(jìn)劑，推回垂直總裝廠(chǎng)房（VAB）做進(jìn)一步處理。最終，如果是控制、測(cè)量、箭體等系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題，一般都好解決，更換零部件、單機(jī)基本就可以，而如果是芯一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)再次出現(xiàn)未解決的問(wèn)題，H3火箭就難以確定歸期了，研制一款新型運(yùn)載火箭真的好難！

作者：大白高國(guó)