Япония. Испытательный пуск носителя H-III

7 марта в 10:37:55 по токийскому времени (01:37:55 UTC) со второй пусковой площадки (Launch Pad 2; LP2) комплекса для старта ракет тяжёлого класса (大型ロケット発射場; или просто комплекс «Йосинобу», 吉信射点) «огнестрельного» (https://novosti-kosmonavtiki.ru/articles/80897.html) Космического центра (КЦ) Танэгасима (преф. Кагосима, регион Кюсю) специалисты Японского агентства аэрокосмических исследований JAXA выполнили испытательный пуск новой двухступенчатой тяжелой ракеты-носителя H-III (試験機1号機/TF1 22S). В качестве полезной нагрузки выступил «Улучшенный оптический спутник ДЗЗ» ALOS-3 (Advanced Land Observing Satellite; 先進光学衛星) или «Дайти-3» (だいち3号, яп. «земля»).

Таким образом H-III стартовала спустя почти 68 лет после первого успешного запуска «карандаша» (Pencil Rocket) – «прародителя» японских ракет, что случилось, между прочим, в День космонавтики – 12 апреля 1955 г. (https://novosti-kosmonavtiki.ru/articles/79938.html).

LP2, как помнят наши постоянные читатели, – это переоборудованный старт H-IIВ, которая красиво ушла в отставку 21 мая 2020 г., запустив к МКС последнего «Дальневосточного аиста» – беспилотный автоматический грузовой корабль HTV (H-II Transfer Vehicle) под номером девять (HTV-9).

Новый носитель японцы обозначают так: H3. Нам же, чтящим традиции обозначения ракет H-I и H-II, представляется стиль написания в виде H-III более уместным и красивым, что-ли. Впредь будем его и придерживаться, хотя это чистейшей воды авторская идея…

Теперь совершенно официальная информация: буква H в названии H-III обозначает символ химического элемента «водород».

Новый «Исполин»

В апреле 2014 г. Япония в лице JAXA и компании Mitsubishi Heavy Industries (三菱重工業; MHI) приступила к работе над проектом перспективной ракеты H-III.

Испытательный полет, таким образом, состоялся спустя почти 9 лет после начала разработки. Менеджером проекта с апреля 2015 г. является Окада Масаси (岡田匡史), ранее занимавшийся в составе команды H-IIA разработками жидкостных ракет в КЦ Какуда и Танэгасима, после чего отвечавший за планирование по направлениям системной инженерии и системы космических транспортировок.

Господин Окада Масаси

H-III призвана заменить эксплуатируемую с 2001 г. ракету среднего класса H-IIA − в ней внедрены многочисленные улучшения и повышены характеристики при одновременном снижении общей стоимости пусковой системы − и на ближайшую перспективу стать основной японской ракетой-носителем.

«Исполин» будет летать в разных конфигурациях. Многовариантность позволит «подбирать ключики» к оптимальным вариантам для запуска широкого спектра полезной нагрузки на различные орбиты.

На первой ступени H-III будет устанавливаться связка из двух или трех маршевых кислородно-водородных двигателей LE-9, на второй – один криогенный (кислород/водород) жидкостный LE-5B-3. Носитель будет комплектоваться нулевым количеством, двумя или четырьмя твердотопливными ускорителями SRB-3 (solid rocket boosters). Существует также три типа головных обтекателей: короткий (S) длиной 10.4 м и длинный (L) и широкий (W) – по 16.4 м. Диаметр S и L составляет 5.2 м, а W – 5.4 м.

Обтекатели L и S

LE-9 работает по циклу с фазовым переходом (expander bleed cycle) – безгенераторной схеме, позволяющей повысить эффективность топливного цикла. H-III стала первой ракетой, использующей ЖРД с циклом фазового перехода на первой ступени, позволяющий увеличить тягу в ущерб эффективности.

В зависимости от версии ракета может выводить полезную нагрузку не менее 4 т на солнечно-синхронную орбиту, а при варианте с максимальной грузоподъемностью 6,5 т на геостационар. В дальнейшем возможно появление конфигураций, аналогичных американским носителям Delta IV Heavy компании United Launch Alliance или Falcon Heavy (SpaceX). Они послужат для запусков к окололунной станции Gateway снабженческих кораблей HTV-X, которые специально под американский проект могут получить экзотическое название, например, HTV-XD (https://novosti-kosmonavtiki.ru/articles/75431.html).

Немного более подробную информацию о ракете и некоторых испытаниях можно почерпнуть здесь: https://www.roscosmos.ru/28634/.

При разработке MHI сфокусировалась на цене H-III. Целью было достижение пусковой стоимости в базовой конфигурации до 51 млн долл. Это может удвоить частоту пусков с четырех до восьми в год. Даже без внедрения технологий многоразового использования Япония хочет сделать H-III по цене конкурентоспособной Falcon 9.

Тем не менее, к настоящему времени новый носитель получил больно мало коммерческих заказов – только лишь один – в начале декабря 2018 г. оператор спутниковой связи Inmarsat стал первым коммерческим заказчиком пусковых услуг «исполина» H-III. На сайте британской компании, между тем, в настоящее время «висит» дата запуска «не ранее декабря 2023» (https://spacelaunchnow.me/launch/h3-inmarsat-satellite/). Учитывая аварийный испытательный пуск, дата может «съехать» вправо на 2024 г., и скорее всего сделает это.

Первые звоночки

26 мая 2020 г. на стенде Танэгасимы прошли 8-е квалификационные испытания LE-9 продолжительностью 225.5 с. Тогда был найден злополучный усталостный излом в турбине турбонасоса и отверстие на стенке камеры сгорания. Тогда же решили перепроектировать турбину турбонасоса (https://novosti-kosmonavtiki.ru/articles/77986.html).

11 сентября 2020 г. глава JAXA Ямакава Хироси (山川宏) сообщил, что график разработки H-III пересмотрен в связи с «проблемным» двигателем LE-9 – испытательный пуск отложили до 1 апреля 2022 г.

Установка первого (из двух) LE-9 на первую ступень H-III, 21.09.2022

19 марта 2021 г. Ямакава-сан сказал, что требуется провести дополнительные прожиги LE-9 из-за появления в турбине вибрации. К июню того года ситуация значительно улучшилась, но была обнаружена новая «неполадка» – «флаттер турбины» (turbine flutter).

Далее. 21 января 2022 г. глава Японского агентства сообщил о перепроектировании конструкции LE-9. Наконец, 9 декабря 2022 г. «бессменный» руководитель JAXA анонсировал успешное завершение огневых стендовых испытаний двигателей LE-9, которые установят на первом изделии H-III, и о том, что пуск состоится до конца марта 2023 г…

Аварийный…

23 декабря 2022 г. от JAXA пришла долгожданная радостная весть: первый пуск H-III со спутником ALOS-3 состоится 12 февраля 2023 г.!

26 января старт перенесли на 13 февраля – ввиду неблагоприятных погодных условий, которые предсказали метеослужбы Японии.

Затем, 6 февраля дату сдвинули на неопределенный день из-за прогнозируемого сильного ветра, которого следовало ожидать 13 февраля. Соответственно появилась необходимость проверить системы, обновляющие бортовой план полета. 9 числа, после инспекций, испытательный полет назначили на 15 февраля.

13 числа JAXA подтвердило намеченную дату старта, однако 14 февраля, из-за в который раз сряду сорвавшей планы Госпожи погоды, пуск H-III определили на 17 число (15 февраля на всякий случай подтвердили дату).

Но. В назначенный день Японское агентство сообщило, что во время первой пусковой попытки H-III основные двигатели LE-9 включились, а вот ускорители SRB-3 – нет.

22 февраля состоялся разбор «неполета», на котором было озвучено следующее:

— двигатели LE-9 включились как должно и по параметрам были готовы к пуску: тяга превысила 90% от возможной, а все приборы были готовы к штатной работе;

— после достижения пусковых условий и непосредственно до планировавшегося отрыва ракеты от земли при проведении проверки на наличие неисправностей контроллер, управляющий работой первой ступени, зафиксировал аварийный сигнал, поэтому автоматика не стала подавать ускорителям SRB-3 сигнал о запуске и перевела систему в безопасный режим. То есть проблем с ускорителями не было, а система продемонстрировала отказоустойчивость – сохранила работоспособность после выявления неисправности одной из ее частей;

— проблема была в системе энергоснабжения двигателей первой ступени;

— это могло быть вызвано неполадками в работе бортовой и/или наземной электрики.

Кроме того, руководство постановило:

— разобраться в причинах сбоя и сделать так, чтобы такое не повторилось вновь;

— приложить все возможные усилия для проведения второй попытки испытательного старта до 10 марта (когда заканчивался резервный пусковой период).

В пресс-релизе JAXA от 3 марта новой датой значилось 6 марта. В нем также была более подробно описана причина срыва испытательного старта H-III. Итак, в момент разрыва связи между электрическими системами ракеты и «наземки» в линиях связи и энергопитания образовалось переходное колебание потенциала, что привело к ложному срабатыванию контроллера первой ступени. Специалисты приняли надлежащие меры.

Однако на следующий день, как вы уже понимаете, ввиду неудовлетворительных метеоусловий пуск жаждущей дебютировать H-III пришлось перенести на 7 число (5 марта JAXA планы подтвердило).

7 марта… Спустя некоторое время после старта «исполина» Японское агентство сначала дало короткую заметку, гласившую: «сделан вывод, что ракета не выполнит поставленных задач, поэтому на борт отправили команду на уничтожение». Затем вышло уточнение: «сделан вывод…, поэтому в 10:52 на борт…». Напоследок JAXA уточнило и причину: «… не включился двигатель второй ступени, на расчетную орбиту спутник уже было не вывести, … и в 10:51:50 на борт отправили команду на уничтожение». Также агентство сообщило о начале разбирательств по данному инциденту.

Мимоходом заметим, что из обозначения каждого пуска H-III можно понять ее компоновку. Первая цифра указывает на количество двигателей LE-9 первой ступени (2/3), вторая – количество ускорителей SRB-3 (0/2/4), а последняя – это габариты обтекателя (S/L/W).

В испытательном пуске «участвовал» вариант H3-22S. Благодаря нехитрой мыслительной деятельности мы приходим к выводу, что это были два LE-9, два ускорителя SRB-3 и короткий обтекатель.

Расследование

Уже 8 марта JAXA опубликовало выводы экстренно созванной для выяснения причин аварии комиссии. Что же произошло?

Помимо того, что уже было известно, специалисты сообщили о нормальном полете носителя до разделения первой и второй ступеней. После подтверждения разделения бортовая аппаратура ракеты отправила двигателю второй ступени LE-5B-3 сигнал о начале работы (SEIG), и сотрудники JAXA зафиксировали получение LE-5B-3 этого сигнала.

Однако возник сбой в системе энергоснабжения, и все пошло крахом. Только непонятно пока, где возникла проблема – в бортовой системе или системе двигателя.

Над разгадкой этой тайны до сих пор ломают себе голову специалисты. Подождем обнародования результатов проводимого расследования…

«Земляной» спутник

Совершенно нетрудно догадаться, что ALOS-3 «погиб». И конечно, японцы поступили отнюдь не благоразумно, а рискованно, разместив на новом носителе в испытательном полете не какую-то «болванку», сиречь, макет полезного груза, а настоящий и современный спутник ДЗЗ.

Да, они поддались соблазну преуспеть и это было свидетельство их опрометчивости и слепой веры в успех предприятия… В любом случае все прошло «ни шатко, ни валко», но если бы риск оправдался, то тогда бы мы хвалили японцев… Так что не будем их корить за излишнюю самоуверенность.

И все же, дабы понимать, какими возможностями Япония могла располагать на орбите, расскажем об утерянном спутнике…

Уверен, стоит дополнить, что слово «Дайти» (大地) оначает «землю» в значении «суша», а не планета «Земля», которая на японском звучит как «Тикюю» (地球), а дословно – «земной шар».

Рельеф Рио-де-Жанейро (на основе данных ALOS-1)

«Дайти-3» должен был заступить на дежурство по ДЗЗ, заменив первый аппарат серии, запущенный на 8-й ракете H-IIА 24 января 2006 г. и осматривавший земли нашей Земли своими приборами до 22 апреля 2011 г. Пользуясь случаем, напомним, что с помощью ALOS-1 японцы создали 3D-модель рельефа поверхности Земли с разрешением 2.5/5 м.

Карта лесов Земли по состоянию на 2015 г., созданная благодаря ALOS-2

«Дайти-2», оснащенный радаром с синтезированной апертурой, 24 мая 2014 г. оказался в космосе благодаря 24-й H-IIА, и по сей час используется для сканирования земной поверхности, в том числе для мониторинга обстановки в Турции и Сирии после потрясших 6 февраля 2023 г. инфраструктуру и повлекших гибель людей разрушительных землетрясений.

Как показано на изображении ниже, в окрестностях геологических разломов (красные звездочки) бросается в глаза деформация земной коры.

Карта тектонических движений, составленная на основе снимков ALOS-2 до подземных толчков (7 сентября 2022 г.) и после них (22 февраля 2023 г.). Дифференциальное интерференционное изображение

Головным разработчиком третьего аппарата выступила Mitsubishi Electric (三菱電機), которая отвечала за его проектирование и изготовление. Предоставлять полученные данные потребителям подрядили японскую корпорацию PASCO (パスコ). Ее сайт на английском языке: https://www.pasco.co.jp/eng/.

По сравнению с первым, новый спутник «раздобрел», то есть стал крупнее в размерах, и его еще оснастили датчиком с лучшими характеристиками, поэтому «сменщик» мог бы при съемке поддерживать ширину полосы захвата, как и у «Дайти-1» (70 км в надире), а также делать в три раза более высококачественные снимки.

«Первопроходец» серии делал фотосъемку разными приборами: черно-белую с разрешением 2.5 м в надире, а цветные, работая в четырех диапазонах видимой (синий, зеленый и красный) и ближней инфракрасной областях спектра, – 10 м.

«Дайти-3» же оснастили одним лишь датчиком, способным получать черно-белые изображения с разрешением 0.8 м в надире и цветные – 3.2 м (в шести диапазонах видимой и ближней инфракрасной областях спектра). Наложив черно-белый и цветной снимки, можно было бы сформировать «паншарпенинг-изображение» (pansharpened image) с разрешением 0.8 м. «Паншарпенинг» (panchromatic sharpening) – это объединение черно-белой картинки высокого разрешения с обладающей низким разрешением цветной. Так получают цветные изображения с высоким разрешением…

Диапазоны (сверху-вниз): приграничный, синий, зеленый, красный, красный край, ближний ИК

Мультиспектр «Дайти-3», добавив приграничный (coastal) к видимому диапазон и красный край (red edge), расширили до шести. Волны приграничного диапазона стойки к затуханию в воде, поэтому идеально подходят для мониторинга литоралей (приливно-отливных участков берега).

А волны красного края хорошо отражаются от здоровых растений, поэтому они послужили бы для отслеживания состояния здоровья и распределения представителей этого царства живой природы.

Моделирование изображения с ALOS-3 (по центру) для сравнения с ALOS-1. Справа показана полоса захвата

Предназначение «Дайти-3» – постоянная обсервация территорий суши, прежде всего Японии, и всего остального земного шара. Накопленные в «мирное» время и сделанные при нашествии природных стихий изображения должны были направлять на помощь в обеспечении безопасности и для ликвидации их последствий, и, когда это возможно, для недопущения их наступления.

Специфическая особенность ALOS-3, которой он, уж так вышло, так и не сможет воспользоваться – наличие пяти подрежимов наблюдения:

— обычный режим:

— полосовой (stripmap) подрежим. За один оборот вокруг Земли (98 минут) можно в идеале получать 10 минут фотоматериалов, т.е. за день обозревать максимум 4.2 млн км – площадь, сопоставимую с территорией Японии, помноженной на 11 раз;

— стереоскопический подрежим. Одна и та же точка планеты осматривается два раза с разных ракурсов. Из параллакса выводится высота поверности, что используется для формирования цифровой модели местности.

— режим реагирования на стихийные бедствия:

— подрежим точечного наблюдения. По всем направлениям до 60° от надира спутника меняется его ориентация, и поэтому можно видеть области не только строго по его вертикальному полю зрения. Предназначен для прояснения ситуации в районах, пострадавших в результате стихийных бедствий после наступления катастроф;

— подрежим широкозонального наблюдения. Пролет над заданной областью несколько раз. За раз обозревается территория 200 км (по направлению движения спутника) на 100 км (по траверзу его движения);

— подрежим наблюдения с изменением направления. Непрерывное изменение ориентации спутника для обсервации длинных береговых зон и нужных деталей рельефа.

Оснащение ALOS-3. Слева внизу – датчик, справа – панели СБ

Кроме того, ожидалось использование снимков с борта ALOS-3 для расширения и обновления базы высоточных геопространственных данных по территориям Японии и развивающихся стран, а благодаря различным полосам наблюдения должен был вестись мониторинг окружающей среды в приливно-отливных и растительных зонах и классификация растительного покрова. Сверхзадача «Дайти-3» состояла в построении базовой карты всея Японии за три года и остального мира – за пять лет.

Для отправки данных на Землю аппарат должен был «держать» лазерную связь с находящимся на орбите с конца 2020 г. первым японским оптическим ретранслятором двойного назначения JDRS-1 (Japanese Data Relay System, データ中継衛星1号機) (https://novosti-kosmonavtiki.ru/articles/77542.html). В данном случае была бы задействована гражданская система LUCAS (Laser Utilizing Communication System, 光衛星間通信システム).

Характеристики спутника ALOS-3

Передача данных	Прямая передача: 1.8 Гбит/с в Ка-диапазоне и 0.8 Гбит/с в X-диапазоне Передача через оптическую межспутниковую связь: 1.8 Гбит/с
Габариты, м (при раскрытых солнечных панелях)	5.0×16.5×3.6
Масса при запуске, т	~2.9
Проектный срок эксплуатации, лет	7.
Орбитальные параметры	Солнечно-синхронная высотой 669 км с временем узла 10:30+/-15 мин и повторением наземной трассы (quasi-recurrent orbit) каждые 35 сут
Широкоугольный датчик с высокой разрешающей способностью и полосой захвата 70 км	— Панхром (черно-белые изображения) с диапазоном волн 0.52-0.76 мкм и разрешением 0.8 м в надире. — Мультиспектр (цветные) с разрешением 3.2 м в надире: — приграничный: 0.40-0.45 мкм; — синий: 0.45-0.50 мкм; — зеленый: 0.52-0.60 мкм; — красный: 0.61-0.69 мкм; — красный край: 0.69-0.74 мкм; — ближний ИК: 0.76-0.89 мкм.
Наведение	60° по всем направлениям от надира
Время наблюдения	За один виток (~98 мин) максимум 10 мин наблюдений
ИК-датчик QDIP, Агентство ATLA	Два диапазона

Как указано на сайте ALOS-3, помимо основного мультидиапазонного датчика, на аппарате разместили ПН оборонного назначения в виде инфракрасного датчика QDIP (Quantum Dot Infrared Photodetector) в интересах Агентства закупок, технологий и логистики ATLA (Acquisition, Technology & Logistics Agency), образованного 1 октября 2015 г. и представляющего собой внешнее подразделение (外局) Минобороны Японии (防衛省).

QDIP, имеющий возможности проводить наблюдения в среднем и дальнем ИК-диапазонах, помогал бы обнаруживать запуски баллистических ракет и предоставлять информацию о них.

Поэтому Япония упустила не только расширение своих возможностей в сфере ДЗЗ, но и в военном секторе…

До первой пусковой неудачи новый флагманский носитель Японии во втором старте должен был вывести на орбиту «Улучшенный радиолокационный спутник ДЗЗ» ALOS-4 (Advanced Land Observing Satellite; 先進レーダ衛星) или «Дайти-4».

ALOS-4 в представлении художника

HTV-X по состоянию на декабрь 2022 г. должен был совершить свою первую миссию по пополнению запасов МКС где-то в конце 2023 ф.г. (до 1 апреля 2024 г.) или даже позже. На H-III JAXA лелеяла и другие планы. Очевидно, они будут пересмотрены. Поэтому воздержимся от их представления до второго пуска…

Что таить понапрасну и чего нам скрывать – к сожалению, это вторая пусковая неудача кряду японских – и обеих не частных, а разработанных по госпрограмме! – ракет. Разбор октябрьской аварии Epsilon-6 (https://novosti-kosmonavtiki.ru/articles/85028.html), когда специалистам тоже пришлось выдать команду на уничтожение носителя, выйдет совсем скоро.

Евгений Рыжков

Источники

https://www.jaxa.jp/article/special/pencil50/p2_j.html

https://www.rocket.jaxa.jp/column/pickupInterview/h3_interview.html

https://www.satnavi.jaxa.jp/ja/project/alos/

https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%81%A0%E3%81%84%E3%81%A1

https://www.aw3d.jp/products/standard/

https://www.satnavi.jaxa.jp/ja/project/alos-3/index.html

https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%81%A0%E3%81%84%E3%81%A13%E5%8F%B7

https://www.satnavi.jaxa.jp/ja/project/alos-4/index.html

https://earth.jaxa.jp/ja/earthview/2023/02/14/7381/index.html

https://www.satnavi.jaxa.jp/ja/project/alos-4/index.html