В настоящее время ключевые узлы ракеты-носителя H3 проходят последние испытания перед первым пуском в 2020 году. В качестве полезной нагрузки Япония запустит спутник дистанционного зондирования Земли ALOS-4 массой в три тонны.
Разработка ракеты началась в 2013 году под руководством японского агентства аэрокосмических исследований JAXA. Производством компонентов ракеты и сборкой займётся компания Mitsubishi Heavy Industries (MHI).
Главная предпосылка к появлению подобной ракеты — необходимость снижения стоимости запуска спутников на геопереходную орбиту.
Целевая стоимость пуска одной ракеты Н3 в конфигурации H3-30S/L составит порядка $50 миллионов. Это почти в два раза ниже стоимости действующих японских ракет H-IIA. Для сравнения: стоимость запуска Falcon 9 составляет от $50 до $68 миллионов.
Основные конкуренты в этой нише рынка запусков – компании из США, России и Европы. Под нишей подразумевается запуск спутников массой около пяти тонн на геопереходную орбиту.
Из действующих ракет-носителей агентство JAXA отметило следующие:
– Atlas 5 от компании United Launch Aliance;
– Falcon 9 от компании SpaceX;
– Ariane 5 от компании Arianespace;
– Протон-М от компании Роскосмос.
Также в различной стадии готовности находятся ракеты нового поколения:
– Vulcan от компании United Launch Aliance;
– Ariane 6 от компании Arianespace;
– Ангара в тяжёлых модификациях от компании ГКНПЦ им. М.В.Хруничева.
Основные характеристики ракеты-носителя H3
При использовании увеличенного головного обтекателя Long type «L» длина ракеты составляет 63 метра, а диаметр — 5,2 метра. Обтекатель типа L крупнее, чем обтекатели на действующих ракетах Протон-М и Falcon 9. Диаметр внутреннего полезного объёма — 4,6 метра, а длина — 11,4 метра.
В случае, когда не требуется большой головной обтекатель, будут использоваться створки типа Short (S) длиной 8,3 метра.
Максимальная масса выводимой полезной нагрузки на геопереходную орбиту составляет 6,5 тонн. Данные показатели рассчитаны при выводе спутника на геопереходную орбиту с характеристической скоростью 1500 м/с (часто обозначается как «∆V»).
Ракета состоит из двух или трёх ступеней в зависимости от её конфигурации.
В лёгкой версии Н3-30 ракета-носитель имеет две ступени, когда вторая ступень расположена над первой. На первой ступени размещается три жидкостных ракетных двигателя LE-9, каждый из которых генерирует тягу в 150 тонн-сил в вакууме. На уровне моря тяга равняется 125 тонн-сил. В качестве топливной пары используются сжиженные водород и кислород.
На второй ступени установлен один двигатель LE-5B-3 c тягой 14 тонн-сил.
Cредняя конфигурация H3-22 комплектуется двумя твёрдотопливными ускорителями SRB-3, которые принимают на себя роль первой ступени. Центральная часть ракеты выступает в роли второй ступени, однако число двигателей будет LE-9 снижено до двух.
Тяжёлая версия H3-24 имеет в составе четыре твёрдотопливных ускорителя SRB-3, два двигателя LE-9 в составе второй ступени и один двигатель LE-5B-3 третьей ступени.
Стартовая масса H3 в максимальной конфигурации H3-24L — 574 тонны.
Двигатель первой ступени LE-9
На действующих ракетах H-II-A/B используется двигатель LE-7A, на основе которого создана более современная версия двигателя LE-9.
Тяга двигателя LE-9 —150 тонн-сил (на 34% больше, чем у предыдущей модели).
Удельный импульс — 448 секунд.
Масса двигателя — 2400 килограмм.
Рабочее давление в камере сгорания снижено с 12,3 МПа до 10,0 МПа, чтобы уменьшить стоимость двигателя, так как при более низком давлении требования к прочности камеры сгорания и топливных турбонасосов не такие высокие.
Двигатель работает на сжиженном водороде и кислороде. Используется открытый цикл с фазовым переходом, когда часть жидкого топлива проходит через охлаждающие трубки камеры сгорания и сопла. Там оно нагревается и происходит фазовый переход. Топливо из жидкого состояния переходит в газообразное, в этом же виде подаётся в турбину и сбрасывается в окружающую среду. При таком режиме работы двигателя увеличивается его тяга. Поскольку для вращения турбины требуется незначительное количество газообразного топлива, то его сброс не приводит к значимой потери эффективности двигателя.
C 2017 по 2020 год в Японии провели 33 испытания, в которых участвовали различные версии двигателя LE-9. Последний тест завершился 13 февраля 2020 года. Двигатель проработал 101 секунду. Давление в камере сгорания составило 9,39 МПа (мегапаскаля).
Видео испытаний двигателя LE-9:
Двигатель второй ступени LE-5B-3
Этот двигатель также использует открытый цикл с фазовым переходом.Топливная пара — сжиженный водород и кислород.
Тяга двигателя LE-5B-3 — 14 тонн-сил.
Удельный импульс — 448 секунд.
Масса двигателя — 290 килограмм.
Двигатель LЕ-5B-3 — третья версия данной модели. Благодаря улучшению конструкции турбины и турбонасосов, время работы двигателя увеличилось с 534 до 740 секунд.
Твёрдотопливные ускорители SRB-3
В средней и тяжёлой версии ракеты Н3 роль первой ступени выполняют твёрдотопливные ускорители SRB-3.
В зависимости от конфигурации на ракету устанавливают 2 или 4 ускорителя.
Длина SRB-3 —14,6 метра, диаметр — 2,5 метра.
Новая конструкция позволила снизить сухую массу двигателя на две тонны, а загрузку топлива увеличить на одну тонну — до 66,8 тонн.
Тяга двигателя — 220 тонн-сил (на 22% больше предыдущей модели SRB-A).
Удельный импульс — 284 секунды.
Масса двигателя — 8,7 тонн.
Масса ускорителя с топливом — 75,5 тонн.
Время работы двигателя сократилось с 116 до 105 секунд. Благодаря этому ускорители могут быть отброшены на 11 секунд раньше, что также повышает эффективность ракеты-носителя в целом.
Ещё одно улучшение по сравнению с предыдущим поколением ускорителей — схема их крепления к центральной части ракеты. Вместо пяти точек крепления теперь используется четыре.
Видео с испытаний SRB-3 в космическом центре Танегасима (Tanegashima Space Center), 28 августа 2019 года:
Взаимозаменяемость твёрдотопливных ускорителей также помогает снизить общие издержки на их производство. SRB-3 будут применяться в составе другой ракеты —Epsilon. Это позволит использовать одну производственную цепочку для двух разных ракет H3 и Epsilon.
Обзор рынка
С появлением недорогих и надёжных ракет-носителей Falcon 9 от компании SpaceX рынок космических запусков сильно изменился. Многие проекты потеряли свою привлекательность ещё на этапе разработки, до первого своего полёта.
Планка стоимости для ракет, способных вывести спутник массой 5 тонн на геопереходную орбиту, снизилась до $50 миллионов. Однако европейская ракета Ariane 6, которая только готовится к первому полёту, стоит порядка $82 миллионов. Такая цена значительно снижает её конкурентоспособность.
Сравнительная таблица
Ниже приведена сравнительная таблица по средствам выведения, которые схожи по своему классу.
Сравниваются их возможности по выводу полезной нагрузки на геопереходную орбиту, стоимость запуска и цена за один килограмм.
Цены приведены из открытых источников. Фактическая стоимость запуска спутника зависит от многих факторов и зачастую не разглашается, поэтому данные в таблице только приблизительно описывают настоящую ситуацию.
