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长缨在手 敢缚苍龙

 
 
 
 
 

日志

 
 

日本“艾普斯龙”火箭首飞及后续发展分析  

2013-12-29 09:39:14|  分类: 宇航工程 |  标签: |举报 |字号 订阅

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作者:张铧予

  日本于当地时间2013年9月14日14时整(北京时间14日13时整),从位于鹿儿岛县内之浦宇宙空间观测所发射了首枚“艾普斯龙”X型火箭。火箭 经过约1个小时飞行,成功将行星分光观测卫星(SPRINT-A)送到近地点950千米、远地点1150千米,倾角31°的预定轨道。SPRINT-A卫 星质量为365千克,主要用于远距离观测金星、火星和木星等的大气变化状况,是世界上首颗行星观测用太空望远镜,计划在轨工作1年。
  “艾普斯龙“火箭发射计划可谓一波三折。最初计划在8月22日13:30~14:30发射,但因为发射场火箭检测设备中发现了布线错 误,JAXA宣布发射推迟至8月27日下午13:45~14:30。然而8月27日,“艾普斯龙”火箭在发射前19秒时被检测到箭体姿态异常信号,发射倒 计时自动停止,火箭从发射架上撤下,运回发射准备厂房。后查明原因是自动检测系统故障,具体情况为:箭载计算机数据传送到地面控制中心时存在约0.07秒的延迟,导致箭体姿态信息未能及时传输到地面控制中心,系统出于安全考虑,做出了状态异常的判断,从而导致发射终止。

2013年12月29日 - kktt - 长缨在手  敢缚苍龙

  “艾普斯龙”火箭介绍

  日本政府于2010年正式批准研制“艾普斯龙”火箭,目标是实现小型卫星的快速发射,降低成本,提高效率。
  总体设计
  “艾普斯龙”火箭有基本型和扩展型两种构型。基本型为三级固体火箭,长24米、直径2.6米、起飞质量91吨,能够将1.2吨的有效载荷送入 250×500千米的近地轨道(LEO)。扩展型是在基本型的基础上增加了一个小型液体推进级(PBS),总长度和直径未变,起飞质量稍大于基本型,能够 将700千克有效载荷送入高度500千米的近地轨道、将450千克有效载荷送入高度500千米太阳同步轨道。本次发射的“艾普斯龙”X火箭就是“艾普斯 龙”扩展型,借助增加的小型液体推进级完成了本次较高的太阳同步轨道发射任务。日本未来可选择使用“艾普斯龙”基本型,快速响应执行低轨卫星的发射任务。
  “艾普斯龙”充分继承了成熟技术:采用H-2A和H-2B运载火箭的SRB-A固体捆绑助推器作为一子级;二子级是基于M-V运载火箭的三子 级建造;三子级由M-V火箭的四子级改进而来(“艾普斯龙”上面两级的比冲和推力比M-V略有提高);“艾普斯龙”火箭还大量采用了H-2A火箭上使用的 电子设备等。“艾普斯龙”火箭的发射价格为3800万美元/次,仅为M-V固体火箭(LEO运载能力为1.81吨,在1997~2006年间完成7次发射 任务)的1/2。“艾普斯龙”火箭大幅简化发射操作,使配套的地面支持系统尽可能紧凑,其发射操作时间仅为6天,只有M-V火箭的1/4。“艾普斯龙”火 箭总体设计如图1所示,它与M-V的性能参数比较见表2,火箭各级推进系统性能参数见表3。
  第一级
  火箭第一级采用H-2A和H-2B火箭的SRB-A发动机,借量产实现低成本的目的。火箭第一级具有三轴姿态控制能力:可以通过移动喷管推力 矢量来控制动力飞行时的俯仰和偏航,喷管推力矢量摆动控制由一组机电伺服马达驱动。第一级的伺服马达由特制的高功率热电池供电。在该发动机后部筒体机轴部 分对称位置装备了新型固体发动机侧喷射系统(SMSJ)。该系统是在M-V的基础上新研制的,用于一级动力飞行阶段的侧流控制和SRB-A发动机燃尽后的 三轴控制。与M-V的固体发动机侧喷射系统相比,其推进剂的燃烧速度下降,推力增强,燃烧时间延长,确保符合火箭发射工作时间要求的3分钟长度。
  第二级
  第二级借鉴第5发M-V型火箭第三级发动机M-34c。在第二级动力飞行阶段,三轴姿态控制能力由箭载的移动喷管推力矢量控制(MNTVC) 和单元推进剂气体喷射(GJ)系统提供。第二级伺服马达由锂电池供电。第二级反作用控制系统的反作用射流通过标准的肼发动机产生。在第二级发动机燃尽 后,2个起旋发动机(SPM)在火箭第二级分离前进行起旋操作。单元推进剂气体喷射(GJ)系统负责火箭三轴姿态控制。
  第三级
  第三级使用第5发M-V型火箭的第四级KM-V2b发动机。在第三级动力飞行段,火箭第三级采用自旋稳定姿态校准技术。通过采用最新材料助推器壳体的重量并简化制造过程:将复杂的压热器改造为加热炉,进一步降低了成本,提高性能。
  在未加装PBS的“艾普斯龙”火箭标准型第三级分离后,安装在火箭第三级上的小型滚转火箭发动机(TRM)立即启动,以防止卫星追尾碰撞和火箭第三级发动机产生的残余废气造成污染。
  液体末助推段(PBS)
  “艾普斯龙”火箭最大的进步是可在第三级上加装可选的一个小型液体火箭推力器,即末助推段(PBS)。PBS通过其反作用控制系统的恒向线控 制技术在第三级动力飞行阶段提供制导控制。它也可以补偿因采用自旋稳定技术的第三级引起的轨道差。该段由普通的肼发动机推进,有利于提高入轨精度和可控 性,满足用户需求。通过安装这种可选的末助推段,可以很容易地将小型卫星送入其所需的各种轨道,包括太阳同步轨道。
 
2013年12月29日 - kktt - 长缨在手  敢缚苍龙
 
  采用的新技术

  “艾普斯龙”火箭采用了一系列新技术,以实现低成本和快速响应发射。
  改进发射系统,应用智能发射控制
  “艾普斯龙”利用箭上的自动检测功能以及高速网络实现了智能化的自动发射。火箭自动检测功能采用了人工智能技术、马氏田口方法进行动态判断, 完成火箭的检测。该功能简化了地面设备,缩短了操作时间。发射系统利用高速网络连接各种地面支持设施以及火箭。这种通信体系结构也能够减少地面操作的时 间,而且保证了发射操作的安全性。通过采用上述技术,“艾普斯龙”火箭只需6天就可完成地面准备并实施发射。
  改善任务适应性
  “艾普斯龙”火箭利用末助推级(PBS)可以实现更灵活的轨道控制以及更高的入轨精度。为了进一步增强任务适应性,“艾普斯龙”火箭加装了一 个特制的星箭适配器(PAF),以降低因第一级火箭燃烧振动引起的高频振动(约50赫兹)。PAF安装在末助推级的顶部(与PBS同作为可选部件,安装于 火箭第三级的上部)。此外,“艾普斯龙”运载火箭还通过改进地面设施结构降低声振,将发射台升高10米,同时将发射台下方的斜度向排气流方向偏转90°。

2013年12月29日 - kktt - 长缨在手  敢缚苍龙

  后续发展

  研制“艾普斯龙1”型火箭
  JAXA为艾普斯龙火箭制定了循序渐进的“两步走”研制方案:第一步实现新技术的应用开发,如火箭智能化和移动发射控制,尽可能降低成本和缩 短研制周期。本次首飞的型号为“艾普斯龙X”型,研制费用为209亿日元(合2.1亿美元),发射费用约为38亿日元(合3800万美元)。第二步,研制 “艾普斯龙1”型火箭,重点改进电子设备和结构系统。为了降低技术风险,JAXA将于2015年进行“艾普斯龙1X”型火箭的验证飞行,并将太阳同步轨道 运载能力提高到500千克。“艾普斯龙1”计划2017年发射,发射成本低于30亿日元(合3000万美元)。
  发展移动跟踪控制技术
  除采用移动发射控制技术以外,JAXA将进一步提高“艾普斯龙”火箭的智能化水平,最终实现飞行安全自动控制。火箭可以自行检测其轨迹,并且 在必要时自动进行安全操作。通过这种方法可以省去昂贵的跟踪雷达及其相关设施,从而使整个发射场简化如同一个移动遥测站。目前,JAXA正在研制 GPS/INS组合包以取代跟踪雷达。该技术计划用于2015年发射的第2发“艾普斯龙1X”火箭上。
  研制新型固体推进剂
  日本研制的新型推进剂被称为低熔融温度热塑性推进剂(LTP),具有双向热弹性,能够被多次加热融化,并在室温条件下重新硬化,如同巧克力块一样存放。与传统固体燃料相比,由于减少了混合剂的使用和更容易存储,燃料成本得以降低。

  影响分析

  “艾普斯龙”是日本自2001年H-2A火箭首飞后,时隔12年研制出的新型火箭。其所运用的最新IT技术和大幅降低成本的特点引起世界航天 界瞩目。JAXA“艾普斯龙”项目负责人森田泰弘教授自信地表示:“‘艾普斯龙’将在火箭世界掀起革命。发射时的控制人员减至数人,能如此机动发射的火箭 在全球尚属首例。日本未来将适时发射高性能低成本的小型卫星,不断积累经验。”
  发展小型固体运载火箭,构建日本航天运输体系
  日本长期坚定走自己的运载火箭发展道路,同时发展氢氧发动机和固体发动机。日本目前主要利用H-2A和H-2B火箭执行政府和商业发射任务, 分别能够将3.7吨和8吨有效载荷送入地球同步转移轨道,可实现国际空间站货物运输的最大运载能力16.5吨。本次“艾普斯龙”火箭的成功发射是日本小型 固体运载火箭的一次历史性成功和突破,也使日本构建了由小型、中型和大型运载火箭组成的较为完整的航天运输体系。H-2A、H-2B和“艾普斯龙”分工各 有不同,可以同时满足日本发射较大质量有效载荷和小载荷简单任务的发射要求,同时兼顾快速响应发射的军事需求。
  新技术得到飞行验证,日本快速发射能力得以提升
  “艾普斯龙”火箭具有快速响应和机动发射控制能力,所需的地面操作时间大幅减少。“艾普斯龙”火箭发射系统不依赖于特定发射场,可利用电脑通过网络在世界任何地方实现发射控制。这些创新技术将来可应用到H-2A、H-2B火箭上。
  “艾普斯龙”的近地轨道运载能力为1.2吨,可以用于发射多种类型的军事卫星和有效载荷,如侦察卫星、空间攻防、反卫星武器等。该火箭在战时可迅速发射补网卫星,有助于提升日本局部战场的实时监控和感知能力。
  借小型运载火箭之名,为发展导弹技术铺路
  日本多年来“以民掩军”的方式,通过发展固体运载火箭实现向远程弹道导弹的技术转化。日本先后成功研制了L系列、M系列、J-1、“艾普斯 龙”等固体运载火箭,已经掌握了世界一流水平的固体火箭技术。固体燃料火箭的最大价值是可以随时待命发射,且可以长期储存,这些特点可直接应用于携带核武 器的洲际弹道导弹。而“智能化”检测技术更是机动部署洲际导弹所必须具备的功能。“艾普斯龙”火箭的长度、直径、起飞质量和运载能力与洲际弹道导弹非常吻 合。世界典型洲际弹道导弹多为固体三级,直径在1.8~2.4米之间,起飞质量约40吨(“民兵3”)~104吨(SS-24)之间,投掷能力在 500~3000千克的范围。

《现代军事》2013.12
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