Космічна програма Японії, частина 2: як Японія подолала залежність від західних ракетних технологій

У попередній частині цього матеріалу ми розповіли, як інженери з групи авіаційних досліджень під керівництвом професора Хідео Ітокави спочатку розробили для Японії перші ракети-носії, а пізніше запустили за їхньою допомогою низку японських наукових та телекомунікаційних супутників.

Починаючи з 1970-х років, ситуація в японській ракетній галузі суттєво змінилася, і наступні генерації власних ракет-носіїв країна виготовляла переважно за американською ліцензією. Ця угода була доволі політизованою, оскільки, долучаючи Японію до власної ракетно-технічної бази, американці пообіцяли відновити суверенітет над частиною територій, окупованих ними після Другої світової війни. Утім, перехід на американські ракетні технології ніяк не послабив аерокосмічний сектор Країни Сонця, що сходить. Навпаки, отримавши вагомий досвід від цього перехідного періоду, вже на початку 2000-х років Японія заходилася випускати повністю вітчизняні ракети високої якості. 

Роби як кажуть: ракети серій N та H  

На початку 1975 року до запуску була готова перша ракета серії Nippon — N-1. Її розробкою займалася Mitsubishi Heavy Industries, яка сконструювала для другого ступеня маршовий двигун, що працював на рідкому паливі — LE-3. Кожен етап триступеневої N-1 був виготовлений за американською ліцензією та конструктивно повторював дизайн ракети Thor-Delta. Ліцензію передали Японії у 1970 році, тож назва Nippon була швидше умовністю, аніж показником приналежності до національних ракетобудівних технологій.

Це перша японська ракета, в якій була реалізована інерційна система наведення. Нагадаємо, раніше ракети в Японії були позбавлені цієї технології, адже вона потенційно дозволяла переробити ракету-носій в наступальну, що суперечило післявоєнній конституції країни.

За роки своєї експлуатації, з 1975 до 1982-го, N-1 здійснила загалом сім стартів, шість з яких відбулися успішно. Зокрема, за допомогою цих ракет Японія змогла вивести свій перший супутник на геостаціонарну орбіту (GEO). Тестовий KIKU-2 (ETS-II) вийшов на орбіту завдяки третьому запуску N-1 у лютому 1977 року. 

Саме старт експлуатації ракет-носіїв Nippon проклав шлях для серії експериментальних супутників KIKU (ETS), на яких Японія тестувала свої нові космічні технології. Всього запущено вісім модифікацій KIKU, останню 2006 року — гігантський KIKU-8 вагою майже 6 тонн. Протягом своєї активності ETS-VIII демонструвала технологію розгортання велетенських рефлекторних антен під час експерименту LDREX (Large Deployable Reflector Experiment). У розгорнутому положенні їхня довжина сягала 40 м, що на деякий час зробило ETS-VIII найбільшим супутником на GEO.

Наприкінці 1981 року Японія починає експлуатацію N-2 — другої, досконалішої ліцензійної копії ракети Deltа, яка замінила N-1. Конструктивно N-2 складалася з трьох ступенів та розгінних бічних прискорювачів (бустерів). Перший ступінь запозичили з Thor-ELT, другий був переробленим другим етапом ракети Delta-F, а третій ступінь опціонний. Під час різних запусків N-2 використовувався або аналог заключного етапу Thor-Burner-1, який приводив у рух твердопаливний ракетний двигун Star-37, або ж більш потужний аналог Burner-2, що також працював на твердому паливі, однак тепер уже на репліці двигуна Thiokol TE-M-364-2. 

Ракета N-2 продемонструвала 100% показник успішності — всі вісім її запусків вивели корисне навантаження на заплановану орбіту. Серед запущених супутників була третя версія тестового KIKU-3, пара геостаціонарних метеорологічних GMS, два телекомунікаційних BS Yuri для впровадження в країні супутникового телебачення, а також перший повноцінний моніторинговий супутник Японії для спостереження за акваторією — MOS-1 (або Momo-1). 

Усі космічні апарати, окрім моніторингового MOS-1, який розмістився на LEO, потрапили на геостаціонарну орбіту Землі. Запуск 19 лютого 1987 року MOS-1 став завершальною місією для ракет N-2, адже до введення в експлуатацію Японія вже готувала її наступницю, ракету-носій середньої вантажопідйомності — H-1. Так само, як і N-серія, вона представлена у двох основних модифікаціях.

Під час першого запуску, 12 серпня 1986 року, нова ракета серії Н-1 вивела на LEO експериментальний геодезичний супутник Ajisai. Загалом же за шестирічний термін експлуатації, що тривав до 1992 року, відбулося дев’ять запусків Н-1, і знову зі 100% показником успішності.

Варто зауважити, що лише початковий етап нової Н-1 був скопійований з американської ракети Thor-ELT — другий та третій (опціонний) ступені ракети мали суто японське походження. Другий етап приводив у дію рідкопаливний ракетний двигун LE-5, що працював на суміші рідкого водню з рідким киснем (LH ₂ + LOX). Літера Н у назві ракети якраз і означає використання ракетою палива на основі водню (Hydrogen).

Наступницею ракети Н-1 стала Н-2, дебют якої відбувся 1994 року. Це була рідкопаливна двоступенева ракета, повністю розроблена зусиллями японських аерокосмічних інженерів з NASDA. Носій був потужнішим за свого попередника, а його головним завданням стала доставка габаритних супутників вагою до 10 тонн на LEO та 4 тонн на геостаціонарну орбіту (GTO).

Експлуатація Н-2 тривала п’ять років, проте її репутація не була бездоганною. Перші п’ять запусків завершилися успіхом. Під час них, зокрема, на орбіту доставили японський моніторинговий супутник ADEOS I, експеримент з орбітального повернення OREX, супутник для метеорологічних спостережень GMS-5, а також пару експериментальних KIKU (ETS-6 та ETS-7).

Проблеми з Н-2 почалися з шостого запуску, коли через несправність в системі охолодження рідинного двигуна другого ступеня корисне навантаження ракети потрапило на нижчу за розрахункову орбіту. Сьомий запуск Н-2 ознаменувався повним провалом внаслідок поломки водневого турбонасоса першого ступеня ракети. Помилка призвела до втрати палива та швидкої зупинки двигуна, з раптовим його вимкненням на четвертій хвилині місії. Після втрати ракети разом із корисним навантаженням інженери з NASDA усвідомили, що тепер їм потрібен новий носій.

Бездоганні робочі конячки: H-2A та H-2В

Від початку своєї розробки Н-2А проєктувалася з огляду на необхідність посилити надійність та безпеку. Важливою стала і вимога щодо підвищення економічності ракети. Головним її розробником знову виступила Mitsubishi Heavy Industries, якій 2007 року навіть відійшли права на виробництво та управління ракетними запусками. Перші шість років експлуатації права на виробництво ракети належали створеному 2003-го Японському агентству аерокосмічних досліджень (JAXA), яке об’єднало в собі три провідні космічні підприємства країни: Інститут космічних та астронавтичних наук (ISAS), Національне агентство космічного розвитку (NASDA) та Національну аерокосмічну лабораторію Японії (NAL).

Серед факторів успіху Н-2А була можливість підвищення потужності ракети за рахунок додавання бічних твердопаливних прискорювачів (SRB-A) або чотирьох менших ракетних прискорювачів Castor 4AXL (SSB). Конструктивна особливість модифікації бустерів дозволила ракеті виконувати кардинально різні профілі космічних місій, відкинувши цим потребу в наявності різноманітного ракетного парку.

Перший ступінь ракети оснащувався кріогенним двигуном LE-7А, а на другому етапі встановили модифіковану версію рідкопаливного маршового двигуна LE-5B. Кожен ракетний двигун був представлений в єдиному екземплярі. Попри зовні доволі просту конструкцію, Н-2А отримала просто феноменальні показники вантажопідйомності. На початку нового тисячоліття ця середня ракета могла доставляти від 10 до 15 тонн на LEO та від 4 до 6 тонн на GTO, залежно від модифікації бустера.

Історичний перший запуск ракети відбувся 29 серпня 2001 року. Відтоді вона здійснила вже 49 космічних стартів, зазнавши лише одного провалу. 29 листопада 2003 року, під час шостого запуску Н-2А стався витік гарячого газу з одного із двох двигунів SRB-A бустера ракети. Це унеможливило відокремлення бустера і призвело до першої та єдиної втрати Н-2А. Загалом же, починаючи з 2003 року, в активі японської ракети вже 43 успішні старти поспіль. І ця цифра, вочевидь, може зрости, адже Н-2А надалі перебуває в експлуатації.

У 2009 році дебютувала наступна модифікація ракети, яка отримала індекс Н-2В. Схожа за своєю конструкцією на попередницю, нова ракета завжди мала чотири бічні прискорювачі SRB-A3 на етапі бустера, а також отримала два двигуни LE-7А на своєму першому етапі. Це дозволило збільшити вантажопідйомність до 19 тонн на LEO та 8,5 тонн на GTO. Основним призначенням нової Н-2В стала доставка космічного корабля HTV (Kōnotori) до МКС. На орбітальну станцію ракета могла донести до 16,5 тонн корисного вантажу.

Н-2А та Н-2В по праву можна назвати одними з найвдаліших японських ракет-носіїв. Саме модифікація Н-2А у листопаді 2015 року виконала перше комерційне космічне замовлення, вивівши на геостаціонарну орбіту канадський телекомунікаційний супутник Telesat Telstar 12 VANTAGE. Проте висока конкуренція з боку американського аерокосмічного бізнесу, обумовлена появою багаторазових ракет-носіїв Falcon 9 від SpaceX, суттєво послабила позиції Н-2А на світовому ринку космічних запусків. Японії залишалося використовувати ракету переважно для власних космічних місій та на замовлення національних компаній.

Новітній час і активне обговорення повернення людства на Місяць змусило JAXA замислитися над розробкою нової ракети-носія серії Н, здатної запускати корисні вантажі масою до 6 тонн на місячну орбіту (TLI). Тож у травні 2013 року стартувала розробка Н-3 — наразі найновішої ракети в арсеналі JAXA. Але цей шлях був нелегким.

Вибуховий дебют Н-3

Працюючи над Н-3, інженери JAXA та MHI намагалися дотримуватися трьох основних критеріїв, яким мала відповідати ракета:

1. Гнучкість конструкції — це продовжувало традиції, закладені у Н-2А. Зі старту експлуатації ракета запропонувала потенційним клієнтам одразу чотири конфігурації: версія без бічних прискорювачів — Н3-30S; з двома твердопаливними бічними прискорювачами SRB-3 — H3-22S; подовжена з двома бічними прискорювачами — Н3-22L; подовжена з чотирма бічними прискорювачами — Н3-24L.
2. Надійність — нова ракета мала відповідати критеріям якості та безвідмовності, встановленими Н-2А та Н-2В.
3. Конкурентна вартість космічного запуску — попри те, що нова Н-3 проєктувалася саме як одноразова ракета-носій, її конструкція мала здешевити собівартість ракети, знижуючи таким чином ціну на її послуги запуску.

Основним двигуном першого ступеня ракети виступив кріогенний рідкопаливний рушій LE-9 виробництва Mitsubishi Heavy Industries. Це був головний ключ до зниження вартості ракети та її паливної економічності, адже LE-9 працював із циклом стравлювання детандера (або циклом розширювача), в якому ракетне паливо використовувалося для охолодження двигуна. 

Технологія гарантувала підвищення стандартів безпеки та більш економні витрати палива у новій ракеті. Характерна конструкція двигунів, що працюють за подібним циклом, завжди має обмежену вихідну потужність, однак японським інженерам вдалося довести тягу LE-9 до 1471 кН. Зважаючи на те, що різні конструкції Н-3 передбачали від двох до трьох двигунів LE-9 на першому етапі, вони доводили максимальну тягу до 2944 або 4416 кН. Таким чином вантажопідйомність ракети-носія склала від 4 до 8 тонн на GTO та до 4 тонн на сонячно-синхронну орбіту (SSO).

Єдиним двигуном на другому ступені став модифікований рідкопаливний LE-5B-3, рання версія якого була встановлена на першій генерації ракети Н-1. Рушій був здатен забезпечити тягу у 137 кН, а етап запалення тривав більше шести хвилин.

Та коли у квітні 2017 року почалися перші наземні іспити нового двигуна LE-9, головна перевага Н-3 перетворилася на її головний біль. Через складну конструкцію двигуна та нестабільність його роботи навіть довелося перенести перший старт ракети: із січня 2022 на березень 2023-го. 

Нарешті, 7 березня 2023 року, Н-3-22S була готова до першого старту з майданчика для запуску Космічного центру Танеґасіма. За планом місії, ракета мала доставити на SSO тритонний супутник ALOS-3, оснащений радаром із синтезованою апертурою (SAR). Проте на шостій хвилині польоту ракета на змогла підтвердити запалення двигуна другого ступеня, відтак почала поступово втрачати швидкість і висоту. Персонал космічного центру прийняв рішення про контрольований підрив ракети. Це був дуже болючий невдалий дебют для JAXA, через що підготовка до другого польоту Н-3 тривала майже рік.

Проте минулоріч Н-3 тричі показала, на що вона здатна. Запуски 17 лютого, 1 липня та 4 листопада (в кожному була запущена саме модифікація Н-3-22S) відбулися успішно, повністю нівелювавши всі сумніви стосовно нового японського носія.

Озираючись на етапи розвитку ракетної промисловості Японії за останні 50 років, слід констатувати: країна пройшла цей шлях по-східному гідно. Без сумнівів, американська ліцензія на виробництво ракет Thor-Delta надала високоякісний та готовий транспортний засіб для доставки вантажів на орбіту, який зекономив японським ракетним фахівцям роки розробки та тестування ракети з нуля.

Майже 30-річний період експлуатації цих ракет за ліцензією дозволив японським інженерам зсередини ознайомитися з усіма аспектами конструкції кожного етапу ракети. Зрештою це стимулювало загальний розвиток національного космічного сектора, який неначе отримав вакцину від низки дитячих помилок на цьому шляху. Те, що спочатку здавалося залежністю від американської ракетно-технічної бази, стало чудовим конструкторським досвідом для Японії. Цей шлях був складним, проте він вів до головного — повної технологічної незалежності японського аерокосмічного сектора.