Космическая программа Японии, часть 2: как Япония преодолела зависимость от западных ракетных технологий

В предыдущей части этого материала мы рассказали, как инженеры из группы авиационных исследований под руководством профессора Хидео Итокавы сначала разработали для Японии первые ракеты-носители, а позже запустили с их помощью ряд японских научных и телекоммуникационных спутников.

Начиная с 1970-х годов, ситуация в японской ракетной отрасли существенно изменилась, и следующие генерации собственных ракет-носителей страна создавала преимущественно по американской лицензии. Это соглашение было довольно политизированным, поскольку, приобщая Японию к собственной ракетно-технической базе, американцы пообещали восстановить суверенитет над частью территорий, оккупированных ними после Второй мировой войны. Впрочем, переход на американские ракетные технологии никак не ослабил аэрокосмический сектор Страны восходящего Солнца. Наоборот, получив весомый опыт от этого переходного периода, уже в начале 2000-х годов Япония принялась изготавливать полностью отечественные ракеты высокого качества.

Делай как говорят: ракеты серий N и H

В начале 1975 года к запуску была готова первая ракета серии Nippon — N-1. Ее разработкой занималась Mitsubishi Heavy Industries, которая сконструировала для второй ступени маршевый двигатель, работавший на жидком топливе — LE-3. Каждый этап трехступенчатой N-1 был изготовлен по американской лицензии и конструктивно повторял дизайн ракеты Thor-Delta. Лицензию передали Японии в 1970 году, поэтому название Nippon было скорее условностью, нежели показателем принадлежности к национальным ракетостроительным технологиям.

Это первая японская ракета, в которой была реализована инерционная система наведения. Напомним, ранее ракеты в Японии были лишены этой технологии, ведь она потенциально позволяла переделать ракету-носитель в наступательную, что противоречило послевоенной конституции страны.

За годы своей эксплуатации, с 1975 по 1982-й, N-1 осуществила всего семь стартов, шесть из них прошли успешно. В частности, с помощью этих ракет Япония смогла вывести свой первый спутник на геостационарную орбиту (GEO). Тестовый KIKU-2 (ETS-II) вышел на орбиту благодаря третьему запуску N-1 в феврале 1977 года.

Именно старт эксплуатации ракет-носителей Nippon проложил путь для серии экспериментальных спутников KIKU (ETS), на которых Япония тестировала свои новые космические технологии. Всего запущено восемь модификаций KIKU, последнюю в 2006 году — огромный KIKU-8 весом почти 6 тонн. На протяжении своей активности ETS-VIII демонстрировала технологию развертывания гигантских рефлекторных антенн во время эксперимента LDREX (Large Deployable Reflector Experiment). В развернутом положении их длина достигала 40 м, что на некоторое время сделало ETS-VIII самым большим спутником на GEO.

В конце 1981 года Япония начинает эксплуатацию N-2 — второй, более совершенной лицензионной копии ракеты Delta, которая заменила N-1. Конструктивно N-2 состояла из трех ступеней и разгонных боковых ускорителей (бустеров). Первую ступень позаимствовали у Thor-ELT, вторая была переработанным вторым этапом ракеты Delta-F, а третья ступень опциональная. Во время различных запусков N-2 использовался либо аналог заключительного этапа Thor-Burner-1, приводимый в движение твердотопливным ракетным двигателем Star-37, либо же более мощный аналог Burner-2, также работавший на твердом топливе, однако теперь уже на реплике двигателя Thiokol TE-M-364-2.

Ракета N-2 продемонстрировала 100% показатель успешности — все восемь ее запусков вывели полезную нагрузку на запланированную орбиту. Среди запущенных спутников была третья версия тестового KIKU-3, пара геостационарных метеорологических GMS, два телекоммуникационных BS Yuri для внедрения в стране спутникового телевидения, а также первый полноценный мониторинговый спутник Японии для наблюдения за акваторией — MOS-1 (или Momo-1). 

Все космические аппараты, кроме мониторингового MOS-1, который разместился на LEO, попали на геостационарную орбиту Земли. Запуск 19 февраля 1987 года MOS-1 стал заключительной миссией для ракет N-2, ведь ко вводу в эксплуатацию Япония уже готовила ее преемника, ракету-носитель средней грузоподъемности — H-1. Так же, как и N-серия, она представлена в двух основных модификациях.

Во время первого запуска, 12 августа 1986 года, новая ракета серии Н-1 вывела на LEO экспериментальный геодезический спутник Ajisai. В целом же за шестилетний срок эксплуатации, продолжавшийся до 1992 года, состоялось девять запусков Н-1, и опять со 100% показателем успешности.

Стоит заметить, что только начальный этап новой Н-1 был скопирован с американской ракеты Thor-ELT — вторая и третья (опциональная) ступени ракеты имели сугубо японское происхождение. Второй этап приводил в движение жидкотопливный ракетный двигатель LE-5, работавший на смеси жидкого водорода с жидким кислородом (LH₂ + LOX). Буква Н в названии ракеты как раз и означает использование ракетой топлива на основе водорода (Hydrogen).

Преемницей ракеты Н-1 стала Н-2, дебют которой состоялся в 1994 году. Это была жидкотопливная двухступенчатая ракета, полностью разработанная усилиями японских аэрокосмических инженеров из NASDA. Носитель был мощнее своего предшественника, а его главной задачей стала доставка габаритных спутников весом до 10 тонн на LEO и 4 тонн на геостационарную орбиту (GTO).

Эксплуатация Н-2 продолжалась пять лет, однако ее репутация не была безупречной. Первые пять запусков завершились успехом. Во время них, в частности, на орбиту доставили японский мониторинговый спутник ADEOS I, эксперимент по орбитальному возвращению OREX, спутник для метеорологических наблюдений GMS-5, а также пару экспериментальных KIKU (ETS-6 и ETS-7).

Проблемы с Н-2 начались с шестого запуска, когда из-за неисправности в системе охлаждения жидкостного двигателя второй ступени полезная нагрузка ракеты попала на орбиту ниже расчетной. Седьмой запуск Н-2 ознаменовался полным провалом ввиду поломки водородного турбонасоса первой ступени ракеты. Ошибка привела к потере топлива и быстрой остановке двигателя, с внезапным его выключением на четвертой минуте миссии. После потери ракеты вместе с полезной нагрузкой инженеры из NASDA осознали, что теперь им нужен новый носитель.

Безотказные рабочие лошадки: H-2A и H-2В

С начала своей разработки Н-2А проектировалась с учетом необходимости усилить надежность и безопасность. Важным стало и требование о повышении экономичности ракеты. Главным ее разработчиком снова выступила Mitsubishi Heavy Industries, которой в 2007 году даже отошли права на производство и управление ракетными запусками. Первые шесть лет эксплуатации права на производство ракеты принадлежали созданному в 2003-м Японскому агентству аэрокосмических исследований (JAXA), которое объединило в себе три ведущих космических предприятия страны: Институт космических и астронавтических наук (ISAS), Национальное агентство космического развития (NASDA) и Национальную аэрокосмическую лабораторию Японии (NAL).

В числе факторов успеха Н-2А была возможность повышения мощности ракеты за счет добавления боковых твердотопливных ускорителей (SRB-A) или четырех меньших ракетных ускорителей Castor 4AXL (SSB). Конструктивная особенность модификации бустеров позволила ракете выполнять кардинально разные профили космических миссий, исключив этим необходимость наличия разнообразного ракетного парка.

Первая ступень ракеты оснащалась криогенным двигателем LE-7А, а на втором этапе установили модифицированную версию жидкотопливного маршевого двигателя LE-5B. Каждый ракетный двигатель был представлен в единственном экземпляре. Несмотря на внешне довольно простую конструкцию, Н-2А получила просто феноменальные показатели грузоподъемности. В начале нового тысячелетия эта средняя ракета могла доставлять от 10 до 15 тонн на LEO и от 4 до 6 тонн на GTO, в зависимости от модификации бустера.

Исторический первый запуск ракеты состоялся 29 августа 2001 года. С тех пор она осуществила уже 49 космических стартов, потерпев лишь один провал. 29 ноября 2003 года, во время шестого запуска Н-2А произошла утечка горячего газа из одного из двух двигателей SRB-A бустера ракеты. Это сделало невозможным отделение бустера и привело к первой и единственной потере Н-2А. В целом же, начиная с 2003 года, в активе японской ракеты уже 43 успешных старта подряд. И эта цифра, очевидно, может возрасти, ведь Н-2А дальше остается в эксплуатации.

В 2009 году дебютировала следующая модификация ракеты, получившая индекс Н-2В. Похожая по своей конструкции на предшественницу, новая ракета всегда имела четыре боковых ускорителя SRB-A3 на этапе бустера, а также получила два двигателя LE-7А на своем первом этапе. Это позволило увеличить грузоподъемность до 19 тонн на LEO и 8,5 тонн на GTO. Основным назначением новой Н-2В стала доставка космического корабля HTV (Kōnotori) к МКС. К орбитальной станции ракета могла донести до 16,5 тонн полезного груза.

Н-2А и Н-2В по праву можно назвать одними из самых удачных японских ракет-носителей. Именно модификация Н-2А в ноябре 2015 года выполнила первый коммерческий космический заказ, выведя на геостационарную орбиту канадский телекоммуникационный спутник Telesat Telstar 12 VANTAGE. Однако высокая конкуренция со стороны американского аэрокосмического бизнеса, обусловленная появлением многоразовых ракет-носителей Falcon 9 от SpaceX, существенно ослабила позиции Н-2А на мировом рынке космических запусков. Японии оставалось использовать ракету преимущественно для собственных космических миссий и по заказу национальных компаний.

Новейшее время и активное обсуждение возвращения человечества на Луну заставило JAXA задуматься над разработкой новой ракеты-носителя серии Н, способной запускать полезные грузы массой до 6 тонн на лунную орбиту (TLI). Поэтому в мае 2013 года стартовала разработка Н-3 — пока самой новой ракеты в арсенале JAXA. Но этот путь оказался не из самых легких.

Взрывной дебют Н-3

Работая над Н-3, инженеры JAXA и MHI старались придерживаться трех основных критериев, которым должна была соответствовать ракета:

1. Гибкость конструкции — это продолжало традиции, заложенные в Н-2А. Со старта эксплуатации ракета предложила потенциальным клиентам сразу четыре конфигурации: версия без боковых ускорителей — Н3-30S; с двумя твердотопливными боковыми ускорителями SRB-3 — H3-22S; удлиненная с двумя боковыми ускорителями — Н3-22L; удлиненная с четырьмя боковыми ускорителями — Н3-24L.
2. Надежность — новой ракете предстояло соответствовать критериям качества и безотказности, установленным Н-2А и Н-2В.
3. Конкурентная стоимость космического запуска — несмотря на то, что новая Н-3 проектировалась именно как одноразовая ракета-носитель, ее конструкция призвана была удешевить себестоимость ракеты, снижая таким образом цену на ее услуги запуска.

Основным двигателем первой ступени ракеты выступил криогенный жидкотопливный движок LE-9 производства Mitsubishi Heavy Industries. Это был главный ключ к снижению стоимости ракеты и ее топливной экономичности, ведь LE-9 работал с циклом стравливания детандера (или циклом расширителя), в котором ракетное топливо использовалось для охлаждения двигателя.

Технология гарантировала повышение стандартов безопасности и более экономный расход топлива в новой ракете. Характерная конструкция двигателей, работающих по подобному циклу, всегда имеет ограниченную выходную мощность, однако японским инженерам удалось довести тягу LE-9 до 1471 кН. Учитывая то, что различные конструкции Н-3 предусматривали от двух до трех двигателей LE-9 на первом этапе, они доводили максимальную тягу до 2944 или 4416 кН. Таким образом грузоподъемность ракеты-носителя составила от 4 до 8 тонн на GTO и до 4 тонн на солнечно-синхронную орбиту (SSO).

Единственным двигателем на второй ступени стал модифицированный жидкотопливный LE-5B-3, ранняя версия которого была установлена на первой генерации ракеты Н-1. Двигатель был способен обеспечить тягу в 137 кН, а этап зажигания длился более шести минут.

Но когда в апреле 2017 года начались первые наземные испытания нового двигателя LE-9, главное преимущество Н-3 превратилось в ее головную боль. Из-за сложной конструкции двигателя и нестабильности его работы даже пришлось перенести первый старт ракеты: с января 2022 года на март 2023-го.

Наконец, 7 марта 2023 года, Н-3-22S была готова к первому старту с площадки для запуска Космического центра Танэгасима. По плану миссии, ракете следовало доставить на SSO трехтонный спутник ALOS-3, оснащенный радаром с синтезированной апертурой (SAR). Однако на шестой минуте полета ракета на смогла подтвердить зажигание двигателя второй ступени, вследствие чего начала постепенно терять скорость и высоту. Персонал космического центра принял решение о контролируемом подрыве ракеты. Это был весьма болезненный неудачный дебют для JAXA, из-за чего подготовка ко второму полету Н-3 продолжалась почти год.

Тем не менее, в прошлом году Н-3 трижды показала, на что она способна. Запуски 17 февраля, 1 июля и 4 ноября (в каждом была запущена именно модификация Н-3-22S) прошли успешно, полностью нивелировав все сомнения относительно нового японского носителя.

Оглядываясь на этапы развития ракетной промышленности Японии за последние 50 лет, следует констатировать: страна прошла этот путь по-восточному достойно. Без сомнений, американская лицензия на производство ракет Thor-Delta предоставила высококачественное и готовое транспортное средство для доставки грузов на орбиту, которое сэкономило японским ракетным специалистам годы разработки и тестирования ракеты с нуля.

Почти 30-летний период эксплуатации этих ракет по лицензии позволил японским инженерам изнутри ознакомиться со всеми аспектами конструкции каждого этапа ракеты. В конце концов это стимулировало общее развитие национального космического сектора, как будто получившего вакцину от ряда детских ошибок на этом пути. То, что сначала казалось зависимостью от американской ракетно-технической базы, стало прекрасным конструкторским опытом для Японии. Этот путь был сложным, однако он вел к главному — полной технологической независимости японского аэрокосмического сектора.