2021年11月9日,日本在内之浦航天中心用埃普西隆(Epsilon)运载火箭将9颗卫星发射到560公里的太阳同步轨道,这是Epsilon火箭2013年以来的第5次发射。

Epsilon是一枚日本国产的固体运载火箭,其箭长26米,直径2.6米,发射质量96吨,可将700千克载荷送到500公里高度太阳同步轨道。值得注意的是,火箭设计者森田泰弘称这枚火箭仅需要8个人参与发射,如果条件允许,它能“从世界上任何地方控制”发射!

中日固体火箭推力(日本为什么痴迷于发展固体火箭)(1)

埃普西隆(Epsilon)运载火箭

这就不禁令人产生联想:为什么日本宇航开发机构(JAXA)执着于研制这样一枚固体火箭,并且大力精简其发射程序?这种火箭除了发射卫星,还能做其它用途吗?

航天爱好者大多知道,如果你要发射卫星,固体火箭并不是最优选择。固体火箭推力大,但它的比冲远不如液体运载火箭,并且由于精度不好控制,卫星入轨偏差很大。日本作为航天大国,他们的科学家不可能不知道这些基本道理,为什么依然对研发固体火箭始终抱有执念?

其实,日本搞固体火箭有“悠久”历史,它的第一枚“铅笔火箭”就是固体喷气火箭。1955年,东京大学教授伊藤川贤二就制造了第一枚小火箭,火箭总共才23厘米长,跟支铅笔差不多。为了测试“铅笔火箭”,伊藤教授做了一个水平发射轨道,再通过火箭穿透多层靶纸来绘制弹道。

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铅笔火箭

固体火箭的优势是它比液体火箭简单,不需要燃料箱、复杂的管路和发动机。在宋代,中国就出现了最早的固体火箭,今天孩子们玩的“窜天猴”“二踢脚”就是最简单的固体火箭。火箭燃料在燃烧室里剧烈燃烧产生炙热废气,膨胀气体从狭窄的尾喷口喷出来产生推力,于是向相反方向推动火箭前进。

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液体火箭与固体火箭的区别

在“铅笔火箭”之后,日本稳步推进它的固体火箭技术,先后开发了“婴儿”“卡帕”系列,把火箭越做越大。1970年,日本利用“拉姆达”(Lambda)系列的L-4S火箭将第一颗人造卫星“大井”号送上太空,成为继苏、美、法之后世界上第四个发射卫星的国家。

自“拉姆达”之后,日本人开始用希腊字母“μ”打头研制M系列固体火箭,其中M-3SII是为数不多采用全固体推进的运载火箭。2003年,日本用M-V火箭成功发射小行星探测器“隼鸟”号,成为固体火箭的巅峰之作。

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日本的固体火箭系列

虽说M-V火箭推力更大,但无奈发射成本高达7000万美元,“被迫”于2006年退役。次年日本开发“埃普西隆”系列运载火箭,它每次发射成本3800万美元,但运载能力大大缩水。

为了节省研发成本,日本采用了H-IIA液体火箭的固体助推器作为Epsilon的第一级,用M-V火箭上的M-34C、KM-V2b作为第二、第三级,最上面的轨道调整级CLPS液体火箭发动机引进的是美国技术。

有朋友说,不对呀!日本的N和H系列就是液体发动机,技术还是很先进的呀!实际上,日本1970年开始研发N-I型火箭时,用的就是美国德尔塔火箭的发动机,并且发动机的核心技术对日本保密,火箭出了问题只能依赖美国人来解决。1986年日本开始自行制造H-II型火箭,结果遭遇多次失败,其后H-IIA火箭的发动机技术依然来自于美国。

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日本液体火箭主要靠美国技术

由此可见,日本这个“航天大国”其实是被美国人捏着脖子,它要想不受限制地发展火箭技术,只能依赖固体火箭。

固体火箭燃料燃烧得越猛烈、参与燃烧的燃料越多、尾喷口直径越小,火箭燃烧室里的压强就越大,它输出推力就越大。当然了,火箭的外壳也得足够坚固,否则它就变成一个大炸弹。

美国航天飞机巨大的橙色燃料箱两侧各捆绑了一枚固体火箭(SRB),每个助推火箭海平面推力1270吨,最大推力达1500吨,为了维持箭体内的强大压力,SRB的外壳使用2厘米厚的高强度钢板焊接而成,单一个空壳就重达90吨!

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航天飞机固体火箭助推器

为了降低火箭死重,“埃普西隆”固体火箭发动机全采用了先进的碳纤维增强外壳(CFRP),这也难怪,日本的碳纤维技术全球领先,近水楼台嘛!

碳纤维比钢轻,强度比钢好,照理说应该能大幅度提高火箭的运载能力。埃普西隆起飞质量96吨,700千米太阳同步轨道的运载能力只有225千克。中国“长征十一号”运载火箭是钢壳,自重约58吨,能将400多公斤的载荷送到700公里太阳同步轨道;“快舟十一号”由于采用CFRP壳体,起飞质量78吨,700公里太阳同步轨道运载能力达1吨!同为固体火箭,日本差得不是一点点。

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埃普西隆(Epsilon)发射

差距那么大,为什么日本坚持要搞固体火箭?除了不想被人完全控制,自己又搞不出来液体火箭发动机外,固体火箭一大特性值得注意:它极耐存储。

固体火箭的燃料保质期很长,只要保管到位,火箭生产后放在仓库里几年都没事,拉出来随时都能够发射。液体火箭在发射前需要加注燃料和氧化剂,加注的时间会很长,并且低温燃料在火箭里存储时间有限,如果发射延迟,火箭表面就会结一层厚厚的冰。所以各国的弹道导弹基本用的是固体火箭发动机。

日本保持固体火箭研发的团队与技术,就能随时为转变火箭用途做准备。即便没办法将卫星送到更高,但让它落在一千公里开外的把握还是有的。

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