本文轉(zhuǎn)載自北京航天動(dòng)力研究所公眾號(hào) 原文發(fā)表于2022年4月12日

圖1? 正在開(kāi)發(fā)的 LE-9 發(fā)動(dòng)機(jī)—H3火箭的第一級(jí)將安裝2到3臺(tái)LE-9發(fā)動(dòng)機(jī)

? ? 日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu) (JAXA) 于2022年初舉行了關(guān)于日本新一代主力火箭H3的新聞發(fā)布會(huì)，并宣布已放棄其計(jì)劃在 2021 年內(nèi)發(fā)射第一枚火箭。LE-9發(fā)動(dòng)機(jī)作為火箭第一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的研制發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新問(wèn)題，需要時(shí)間來(lái)處理。

? 這是H3火箭研制的第2次推遲。上次是從 2020 年到 2021 年推遲一年，但是這次重新推遲的期限沒(méi)有說(shuō)明，可見(jiàn) JAXA 也是謹(jǐn)慎的。LE-9 發(fā)生了什么？

解決燃燒室壁的問(wèn)題

LE-9發(fā)動(dòng)機(jī)是氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。這種推進(jìn)劑組合本身與 H-IIA 火箭的第一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)LE-7A相同，但主要區(qū)別在于采用了開(kāi)式膨脹循環(huán)。雖然性能低于分級(jí)燃燒循環(huán)，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于降低成本。日本已將開(kāi)式膨脹循環(huán)用于2級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，LE-9發(fā)動(dòng)機(jī)是世界上第一臺(tái)應(yīng)用開(kāi)式膨脹循環(huán)作為主級(jí)的發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖2? LE-9 發(fā)動(dòng)機(jī)（C）JAXA

? ? 在 2020 年 5 月進(jìn)行的燃燒測(cè)試中，在LE-9發(fā)動(dòng)機(jī)中發(fā)現(xiàn)了異常情況。試驗(yàn)后拆開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)，詳細(xì)檢查后，確認(rèn)了以下2種問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，在2020年9月決定推遲發(fā)射。

1、燃燒室壁的開(kāi)口

2、液氫渦輪泵（FTP）渦輪疲勞

??? 在第1個(gè)問(wèn)題中，總共發(fā)現(xiàn)14處最大寬度為0.5mm、長(zhǎng)度約為10mm的裂縫。原以為原因是燃燒室壁的溫度比預(yù)期的高，但高溫的原因是“穩(wěn)態(tài)時(shí)局部熱量流入”和“啟動(dòng)/停止過(guò)渡期間暫時(shí)冷卻不足”。

??? 此后，從2020年11月起，又進(jìn)行了9次燃燒試驗(yàn)。從測(cè)試數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果來(lái)看，估計(jì)問(wèn)題出在穩(wěn)定燃燒過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)由于高溫循環(huán)導(dǎo)致變形累積造成開(kāi)口。

圖3 ?內(nèi)壁因高溫而變形。不斷累積造成開(kāi)口（C）JAXA

? ? 由于需要更有效地從發(fā)動(dòng)機(jī)中去除熱量，燃燒室和用于冷卻的液氫彼此相鄰的內(nèi)壁被制成盡可能薄。吸熱效率是膨脹循環(huán)的核心。為了增加吸熱效率，內(nèi)壁厚度為0.7毫米，接近技術(shù)極限，因此需要瞄準(zhǔn)極限，通過(guò)增加冷卻槽的流量，將壁溫設(shè)置為在上限以下運(yùn)行（約 1,100K）。

渦輪泵出現(xiàn)的新問(wèn)題

? ? 在最初渦輪泵出現(xiàn)的問(wèn)題中，在渦輪的第二級(jí)葉片的76個(gè)葉片中的2個(gè)發(fā)現(xiàn)損壞。為此引入了一種稱為葉片振動(dòng)測(cè)量測(cè)試的新方法，以直接測(cè)量渦輪泵運(yùn)行過(guò)程中葉片的扭曲程度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，共振發(fā)生在最初沒(méi)有預(yù)料到的頻率上。

圖4 渦輪泵結(jié)構(gòu)。右圖為內(nèi)部旋轉(zhuǎn)體，氫渦輪和氧渦輪的形狀差異很大（C）JAXA

共振是物體與外部振動(dòng)同步地振動(dòng)的現(xiàn)象。這可以通過(guò)改變物體的特征值（共振頻率）來(lái)避免，因此改變?nèi)~形作為對(duì)策。當(dāng)用新設(shè)計(jì)的渦輪再次進(jìn)行葉片振動(dòng)測(cè)量試驗(yàn)時(shí)，改進(jìn)效果得到了證實(shí)。

??? 然而，在這次測(cè)試中，渦輪機(jī)又發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新問(wèn)題。這一次，第一級(jí)圓盤(pán)有5處出現(xiàn)裂紋。這是由于顫振，而不是共振。顫振是由物體的運(yùn)動(dòng)及其周?chē)鲃?dòng)的液體或氣體引起的振動(dòng)現(xiàn)象。發(fā)生的原因與共振的原因不同。

圖5 ?共振已經(jīng)解決時(shí)，這一次發(fā)生了顫振。兩者都是振動(dòng)現(xiàn)象（C）JAXA

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? ? 此外，該問(wèn)題最初僅在液氫側(cè)的渦輪泵上被發(fā)現(xiàn)，將液氧渦輪泵（OTP）的設(shè)計(jì)改為水平部署，以盡可能避免渦輪機(jī)的共振。在葉型振動(dòng)測(cè)量測(cè)試中確認(rèn)了改進(jìn)。

? ?這次的問(wèn)題分別在液氫側(cè)和液氧側(cè)出現(xiàn)，需要采取額外措施，作為針對(duì)這些振動(dòng)現(xiàn)象的對(duì)策，有(1)振動(dòng)源的調(diào)整、(2)特征值的調(diào)整、(3)阻尼力的強(qiáng)化等方法，這3項(xiàng)措施將被納入設(shè)計(jì)達(dá)到一種平衡的方式。目前正在實(shí)施多項(xiàng)對(duì)策解決出現(xiàn)的問(wèn)題。

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圖6? 葉形振動(dòng)測(cè)量測(cè)試中，可以將應(yīng)變傳感器連接到動(dòng)葉片上，以測(cè)量實(shí)際運(yùn)行條件下的數(shù)據(jù)(C)JAXA

結(jié)束語(yǔ)

圖7? H3火箭 項(xiàng)目經(jīng)理 岡田正史

對(duì)于再次延期，H3火箭項(xiàng)目經(jīng)理岡田正史表達(dá)了自己的感受，“我很失望”。“LE-9 發(fā)動(dòng)機(jī)距離完成僅一步之遙，我們必須謹(jǐn)慎而堅(jiān)定地邁出這一步。我們并非處于不知道該做什么的境地，但我們正在選擇最佳答案?！?/p>

??? 雖然岡田項(xiàng)目經(jīng)理沒(méi)有具體說(shuō)明新推出的年份，但這并不是一個(gè)嚴(yán)重的情況，不知道需要多長(zhǎng)時(shí)間，而且期限會(huì)根據(jù)改進(jìn)措施而發(fā)生很大變化，?2022 年內(nèi)發(fā)射是很有可能的。

? H3火箭已經(jīng)決定發(fā)射Inmarsat衛(wèi)星。如果開(kāi)發(fā)明顯延遲，客戶可能會(huì)離開(kāi)，為了保證可靠安全地發(fā)射，將對(duì)問(wèn)題進(jìn)行全面思考，處理發(fā)現(xiàn)的所有問(wèn)題，并充滿信心地開(kāi)展工作。

文章及圖片來(lái)源：https://news.mynavi.jp

編譯：路曉紅

審校：馬曉秋

編輯：路曉紅

監(jiān)制：郝京輝? ? 張新