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日本H2B接替美航天飛機

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日本重型火箭H2B於九月十一日從種子島宇宙中心發射成功。(Getty Images)

九月十八日,日本貨運太空船與國際空間站對接成功,成為繼美、俄、歐之後第四個可以向國際空間站運輸物資的國家,並將接替明年退役的美國航天飛機的部份任務。

文 ◎ 洪一夫

月十一日,日本成功發射了新開發的重型火箭H2B,將滿載食物、日用品與實驗器材的貨運太空船(HTV)送入預定軌道;十八日HTV與國際空間站(ISS)對接成功,日本成為繼美、俄、歐之後第四個可以向國際空間站運輸物資的國家,並將接替明年退役的美國航天飛機的部份任務。

重型火箭H2B和貨運太空船是由日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)和三菱重工共同開發的。H2B全長五十六米,第一級直徑五點二米,發射總重五百三十噸,使用液氧和液氫為推進劑,屬二級式火箭,是日本最大的運輸火箭。H2B是在H2A基礎上衍生出來的,它的第一級使用了二台H2A的LE-7A引擎,並使用了四枚助推火箭(SRB-A)。推進能力比H2A提高了四成。

貨運太空船直徑四點四米,全長十米,裝滿貨物後最大重量為十六點五噸,在九月十一日這次發射成功後為國際空間站送去了七個實驗台和其他實驗裝置等共約四點五噸物資。

重型火箭H2B能運載八噸的有效載荷至地球同步軌道(一般為靜止通信衛星、導航衛星),遠大於H2A的五點八噸。H2B的運載能力比歐洲的阿麗亞娜五號、俄羅斯的質子號小,和美國的擎天神五號不向上下,大於中國的長征系列火箭。
 


H2B和貨運太空船(HTV)的構造圖。(JAXA)

 


重型火箭H2B和貨運太空船(HTV)的構想圖。(JAXA)

期待替代美航天飛機

美國航天飛機將在明年全部退役,這給國際空間站的運輸帶來了諸多不便。航天飛機的運載能力強,貨艙空間大,國際空間站的大型物品,如實驗艙、太陽能電池板、試驗台等,都是按用航天飛機運送來設計的,進步號飛船和ATV的接口都太小無法裝載,而日本的貨運太空船則可勝任。

根據國際空間站參與國之間達成的協議,日本將在二零一五年前每年發射一艘貨運太空船,共將發射七艘。在美國的航天飛機退役後,日本將與俄羅斯、歐洲一同承擔物資運輸任務。日本貨運太空船的運載能力(約六噸)大於俄羅斯的進步號飛船,略小於歐洲的自動運輸飛船(ATV)。不過它可以運輸尺寸更大的物品,並有可供宇航員活動的加壓艙。

美國開發的下一代載人航天器-獵戶座飛船,最快也要到二零一五年才能開始使用,在此之前將依賴於俄羅斯、歐洲和日本的航天能力。

貨物飛船為了節省成本都採用一次性設計,運送貨物結束後,墜入大氣層燒毀。而聯盟號載人飛船每次只能從國際空間站帶回六十公斤的物品,這樣航天飛機退役後,如何從國際空間站帶回物品就成了難題。日本正在推進在貨運太空船中加入返回艙,這樣可以解決部份問題。日本期待其貨運太空船在國際航天事業中發揮更重要的作用,並運用到以後的載人航天事業中。

首創液氫/液氧引擎

由於運載火箭要飛出大氣層,所以必須同時攜帶燃料和氧化劑。目前使用的運載火箭根據所使用的推進劑可分為常溫液體和低溫液體兩大類別,世界上最活躍的運載火箭都使用對環境污染較輕的煤油,或無污染的液氫做燃料。日本一直堅持全部使用液氫做燃料,這在世界上也是獨一無二。

四氧化二氮/偏二甲肼做為常溫液體火箭燃料,具有燃燒效率高,與氧化劑接觸即自動著火的優點。做為液體火箭燃料,可以在常溫下保存、使用,具有更便捷的軍事用途。前蘇聯早期的燃料戰略導彈都採用四氧化二氮/偏二甲肼(或聯胺)做燃料,中國的火箭也繼承了前蘇聯的這種技術,直到目前。不過四氧化二氮、偏二甲肼及聯胺都是劇毒物質,對環境和人有很大的傷害。

目前人們離不開的通信衛星、導航衛星一般採用地球同步軌道,軌道平面與地球赤道平面重合,即衛星與地面的位置相對保持不變,距地面三萬五千八百六十公里。要發射位於地球同步軌道的衛星,衛星首先要被發射到橢圓形的地球同步轉移軌道,再定點於赤道上空。在將衛星發射到轉移軌道之前,最後一節火箭要中間停機,並再次啟動。

四氧化二氮/偏二甲肼(或聯胺)引擎無法再次啟動,所以能夠發射地球同步軌道衛星的火箭的最後一節引擎只能採用可再次啟動的低溫液體火箭引擎。歐美中日使用的是效率高又無污染的液氫/液氧引擎。不過液氫/液氧引擎由於儲藏溫度極低(液氫:-252.8℃;液氧:-222.65°C),對設備要求極高,成本也高。俄羅斯沒有採用這種方案,使用了效率稍差,但技術要求較低的煤油/液氧引擎。

由於運輸火箭的第一級要求推力大,工作時間短,火箭引擎的負荷非常大。四氧化二氮/偏二甲肼(或聯胺)雖然技術成熟,但由於對環境有污染,效率也不很高,目前航天大國多不採用,俄美使用煤油/液氧引擎,歐日使用液氫/液氧引擎。

目前俄羅斯的最大型火箭質子號火箭仍然使用劇毒的偏二甲肼/四氧化二氮做推進劑,質子號火箭的成功率不高,一旦發射失敗,洩漏的推進劑對環境造成污染。俄羅斯經常因火箭在發射後墜毀而與發射場所在國哈薩克進行交涉。近幾年來,如果質子號發射失敗,哈薩克就會禁止在拜科努爾發射這種火箭,直到問題解決為止。

中國未解決火箭燃料污染

中國目前長征系列火箭的第一級也都採用四氧化二氮/聯胺作為燃料,二十多年前就有很多航天人士呼籲開發無毒的煤油/液氧引擎,但一直沒有受到重視。

一九九五年一月二十六日攜帶著通信衛星的長征二號E火箭在從西昌衛星發射中心起飛後發生爆炸。

一九九六年二月長征三號乙運載火箭在其首飛便遭遇失敗。飛行約二十二秒後,火箭撞到離發射架不到二公里的山坡上,隨即發生劇烈爆炸,星箭全毀。此次事故共死亡六人,傷五十七人,毀傷民房八十餘間。中國一直也沒有公開過火箭爆炸所引起的環境污染問題。

歐洲太空總署的阿麗亞娜五號運載火箭於一九九六年首次發射,是世界上首個全部採用低溫的液氫/液氧引擎(HM-7B引擎)的火箭。當然它中間的一級也可選用四氧化二氮/聯氨引擎。

日本的H2A火箭於二零零一年首次發射,它的第一級採用了略小於阿麗亞娜五號的低溫的液氫/液氧引擎LE-7A。九月十一日發射成功的H2B的第一級則採用了兩台LE-7A並行工作,成為世界上推力最大的液氫/液氧引擎,而這種並行方式是在液氫/液氧引擎中是首創。它也使H2B的地球同步軌道承載能力達到八噸。◇

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