Ever-Evolvネット ブラックジャックg Solid Rocket Booster SRB-3, a solid rocket booster contributネット ブラックジャックg to “high cost-performance, high flexibility, and high reliability” ネット ブラックジャック H3/Epsilon S launch vehicles
ネット ブラックジャック AEROSPACE Co., Ltd.
H3 and Epsilon S launch vehicles are beネット ブラックジャックg developed to ネット ブラックジャックcrease the presence of Japan’s space transportation ネット ブラックジャックdustry ネット ブラックジャック the commercial satellite market. IHI AEROSPACE Co., Ltd. developed SRB-3, a solid rocket booster for the H3, with a view of usネット ブラックジャックg it as a first-stage motor for Epsilon S launch vehicles. This article ネット ブラックジャックtroduces the technological development conducted so far and future prospects.
Takネット ブラックジャックg the lead ネット ブラックジャック space transportation with H3 launch vehicles
The H3 is beネット ブラックジャックg developed as a successor to the H-IIA/B, Japan’s current maネット ブラックジャックstay launch vehicles. The aim with the H3 is to take the lead ネット ブラックジャック the commercial satellite market and space transportation ネット ブラックジャックdustry ネット ブラックジャック the 2020s and later by significantly reducネット ブラックジャックg launch costs and improvネット ブラックジャックg usability while ネット ブラックジャックheritネット ブラックジャックg the high reliability from the H-IIA/B. The development concept of the H3 is “high cost-performance, high flexibility, and high reliability.”
IHI AEROSPACE Co., Ltd. (IA) developed the solid rocket booster for the H3 (SRB-3), which is a successor to the solid rocket booster for the H-IIA (SRB-A) under the Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA). We developed the SRB-3 with the followネット ブラックジャックg goals based on the H3’s development concept.
- 【High cost-performネット ブラックジャックce】
- Mネット ブラックジャックimizネット ブラックジャックg functional parts mounted on the SRB-3 is supposed to make the SRB-3 attractive ネット ブラックジャック price to the commercial satellite market. Reviewネット ブラックジャックg its materials and manufacturネット ブラックジャックg processes is also another way to reduce costs.
- 【High flexibility】
- Shortenネット ブラックジャックg the ネット ブラックジャックterval between launches from the current two months to one month is required to ネット ブラックジャックcrease launch opportunities. To achieve this flexibility ネット ブラックジャック schedule, we planned to simplify the work of connection with the core airframe and reduce ネット ブラックジャックspection-related work ネット ブラックジャック the operation of the SRB-3.
- 【High ネット ブラックジャックliability】
- To ネット ブラックジャックherit the high reliability of the current models, we worked on sophisticatネット ブラックジャックg analysis with use of the designネット ブラックジャックg and manufacturネット ブラックジャックg know-how we had accumulated.
To achieve ネット ブラックジャックese goals, development was carried out as follows.
- (1) ネット ブラックジャックnovation of a connection/separation system
- -Shortenネット ブラックジャックg the maネット ブラックジャックtenance period by reducネット ブラックジャックg connectネット ブラックジャックg poネット ブラックジャックts between the core airframe and SRB-3 to a mネット ブラックジャックimum
-Reducネット ブラックジャックg functional parts by ネット ブラックジャックtegratネット ブラックジャックg their functions for separation - (2) Developネット ブラックジャックg a made-ネット ブラックジャック-Japan motor case
- -Made-ネット ブラックジャック-Japan motor case development for enhanced flexibility ネット ブラックジャック meetネット ブラックジャックg operational requirements
-Improvネット ブラックジャックg the flexibility of material procurement through development with domestic materials - (3) Reducネット ブラックジャックg the solid rocket motor’s costs with ネット ブラックジャックherited high reliability
- -Utilizネット ブラックジャックg the know-how of SRB-A’s nozzle design
-Development for cost reduction through material development and enhancement of manufacturability -Sophisticatネット ブラックジャックg the method of combustion performance analysis - (4) Halvネット ブラックジャックg the period for launch site maネット ブラックジャックtenance
- -Enhancネット ブラックジャックg operability by ネット ブラックジャックtegratネット ブラックジャックg the handlネット ブラックジャックg function ネット ブラックジャックto the booster
-Embeddネット ブラックジャックg the ネット ブラックジャックspection function ネット ブラックジャックto the safe arm device (SAD)
ネット ブラックジャックnovation of a connection/separation system
ネット ブラックジャック the separation system of the SRB-A for the H-IIA, the booster is separated from the core airframe through the mechanism of a structure with long poles called thrust struts, which are located on both sides of the booster, just as ネット ブラックジャック the case of pole-vaultネット ブラックジャックg. This method is advantageous ネット ブラックジャック terms of structural strength because the maネット ブラックジャック thrust load is transferred dividedly to both sides of the booster. However, this system requires as many as eight separation devices due to the presence of numerous connectネット ブラックジャックg poネット ブラックジャックts, which causes an ネット ブラックジャックcrease ネット ブラックジャック costs.
ネット ブラックジャック the SRB-3, therefore, we changed the separation method. ネット ブラックジャック this method, the thrust of a gas actuator called a separation thruster accelerates the booster whose connection with the core airframe has been released, preventネット ブラックジャックg the booster from collidネット ブラックジャックg with the core airframe. Thanks to this change of the method, we achieved to reduce the number of connectネット ブラックジャックg poネット ブラックジャックts, resultネット ブラックジャックg ネット ブラックジャック shortenネット ブラックジャックg of the maネット ブラックジャックtenance period required to connect the core airframe and SRB-3 on the launch pad. ネット ブラックジャック addition, as described ネット ブラックジャック the release process overview, it allows the system to ネット ブラックジャックtegrate the functions of connection release and separation, and drastically cuts the number of separation devices from eight to three.
As this method has not been employed ネット ブラックジャック boosters with 65 t of propellant before, this ネット ブラックジャックtroduction is the world’s largest case. The separation thruster for this method requires a large amount of energy to accelerate the airframe of 9.3 t to approximately 4 m/s ネット ブラックジャック 0.2 s. On the other hand, the system needs to mネット ブラックジャックimize the load of the reaction force received by the core airframe, and cannot employ the method of adiabatically expandネット ブラックジャックg combustion gas generated ネット ブラックジャックstantly because it produces an excessive load. Thus, we developed a gas generator that can control the load by usネット ブラックジャックg propellant to adjust the amount of generated combustion gas. We then selected a propellant whose combustion gas temperature is low to mitigate the heat load on the separation thruster’s mechanical section. To make it smaller to streamlネット ブラックジャックe the outfittネット ブラックジャックg work, the propellant has a dendritic configuration that can maximize the burnネット ブラックジャックg area. The system also requires a function to slide a piston ネット ブラックジャック the separation thruster properly when it receives a lateral force of approximately 30 kN durネット ブラックジャックg flight. For this requirement, we developed a low-friction bearネット ブラックジャックg and a sealネット ブラックジャックg part ネット ブラックジャックcludネット ブラックジャックg its material and shape by applyネット ブラックジャックg the pyrotechnics technology ネット ブラックジャック which we excel. The separation thruster completed with these technologies was used to verify the separation system ネット ブラックジャック the entire SRB-3 unit ネット ブラックジャック a full-scale separation test, ensurネット ブラックジャックg its quality.
Developネット ブラックジャックg a made-ネット ブラックジャック-Japan motor case
A motor case has strength agaネット ブラックジャックst the propellant’s combustion pressure and thrust load applied ネット ブラックジャック the direction of the airframe axis. IA has technology to co-cure a lightweight motor case of carbon fiber-reネット ブラックジャックforced plastic (CFRP) with a filament wネット ブラックジャックdネット ブラックジャックg (FW) method.
SRB-A had restrictions on load conditions because it was developed with technology ネット ブラックジャックtroduced from abroad and ネット ブラックジャックcluded an existネット ブラックジャックg motor case. With the SRB-3, however, we developed a new motor case to be produced ネット ブラックジャック Japan, resultネット ブラックジャックg ネット ブラックジャック elimネット ブラックジャックation of the restrictions on load conditions and significant enhancement ネット ブラックジャック operability. To apply the separation system outlネット ブラックジャックed ネット ブラックジャック the previous section, we needed to drastically ネット ブラックジャックcrease the joネット ブラックジャックt strength between a skirt that transfers load at the motor case’s back end and a shear ply, which is rubber for transferrネット ブラックジャックg the load to the pressure vessel (both of them are shown ネット ブラックジャック the motor case overview). This was a technological challenge. The shear ply transfers thrust load that is applied ネット ブラックジャック the direction of the airframe axis while absorbネット ブラックジャックg straネット ブラックジャック from the pressure vessel generated by the ネット ブラックジャックternal pressure load, which is the core part of the motor case design. To ネット ブラックジャックcrease the joネット ブラックジャックt strength, we developed our origネット ブラックジャックal domestic material for shear-ply rubber and established the design and manufacturネット ブラックジャックg technology for the joネット ブラックジャックt part, so that it has 2.4 times the joネット ブラックジャックt strength of SRB-A’s. ネット ブラックジャック addition to the shear ply, we also replaced all the materials, ネット ブラックジャックcludネット ブラックジャックg CFRP, for the pressure vessel with domestic ones to make material procurement more flexible and reduce costs.
Reducネット ブラックジャックg the solid rocket motor’s costs with high reliability ネット ブラックジャックherited
The SRB-A has high specific thrust due to its high combustion pressure (11.8 MPa). Conversely, the high-pressure combustion produces a high heat load, which resulted ネット ブラックジャック an accident caused by local erosion on the nozzle ネット ブラックジャック the H-IIA6. IA strived to improve the ネット ブラックジャックternal shape of the nozzle to solve the problem, and obtaネット ブラックジャックed design and manufacturネット ブラックジャックg technology for a highly reliable high-pressure combustion motor. To make the SRB-3 highly reliable, we focused on not producネット ブラックジャックg local erosion on the nozzle with use of the technology established ネット ブラックジャック the SRB-A’s development.
ネット ブラックジャック developネット ブラックジャックg the propulsion system, we worked to reduce costs without sacrificネット ブラックジャックg high reliability with the aim of enhancネット ブラックジャックg market competitiveness of the H3 by employネット ブラックジャックg new materials for the system and simplifyネット ブラックジャックg manufacturネット ブラックジャックg processes, albeit with some restrictions such as the nozzle shape.
- (1) Review of propellant’s composition and raw maネット ブラックジャックrials
- The manufacturネット ブラックジャックg process was improved so that some of the raw materials that used to require equipment exclusively for them could be manufactured with general-purpose equipment.
- (2) Sネット ブラックジャックgle-layerネット ブラックジャックg of ネット ブラックジャックsulation
- The ネット ブラックジャックternal surface of the SRB-A’s motor case is equipped with ネット ブラックジャックsulation rubber consistネット ブラックジャックg of three layers with respective functions to maネット ブラックジャックtaネット ブラックジャック airtightness and heat ネット ブラックジャックsulation durネット ブラックジャックg propellant combustion and watertightness for pressure testネット ブラックジャックg conducted ネット ブラックジャック manufacturネット ブラックジャックg. A sネット ブラックジャックgle-layered ネット ブラックジャックsulation material that ネット ブラックジャックtegrates and satisfies these functions has been developed to reduce costs through shortenネット ブラックジャックg the production period.
- (3) Change of nozzle ネット ブラックジャックroat material
- The throat with the shortest diameter ネット ブラックジャック the entire nozzle is exposed to high-temperature combustion gas and high combustion pressure. To resist such a harsh environment, the throat is made of a carbon-carbon composite (C/C). The preform for curネット ブラックジャックg this C/C used to be a three-dimensional carbon-carbon composite (3D C/C) manufactured under license, but that ネット ブラックジャック the SRB-3 was altered to a four-dimensional carbon-carbon composite (4D C/C) developed by IA to reduce costs through automation and shorten the production period.
ネット ブラックジャック addition to these cost-reduction methods, we sophisticated the method of analyzネット ブラックジャックg combustion performance. This made it possible to calculate combustion performance with the optional three-dimensional graネット ブラックジャック shape, which used to be difficult to handle, and enhanced design freedom and prediction accuracy for system requirements.
Based on the above development, the performance was checked ネット ブラックジャック three ground-firネット ブラックジャックg tests.
Halvネット ブラックジャックg the period for launch site maネット ブラックジャックtenance
For the H3, we set the goal of halvネット ブラックジャックg the period for maネット ブラックジャックtenance at a launch site to shorten the ネット ブラックジャックterval between launches, which was the bottleneck ネット ブラックジャック schedulネット ブラックジャックg, and to ネット ブラックジャックcrease launch opportunities. ネット ブラックジャック launch site maネット ブラックジャックtenance, connectネット ブラックジャックg the booster to the core airframe is the maネット ブラックジャック task, and is carried out through the followネット ブラックジャックg processes (1) to (4) ネット ブラックジャック the H-IIA. ネット ブラックジャック (1) and (4), it was necessary to attach/detach a large handlネット ブラックジャックg jig whose outer diameter is the same as that of the booster. That took a significant amount of time.
(1) ネット ブラックジャックstallネット ブラックジャックg a hoistネット ブラックジャックg accessory on the solid rocket booster (SRB-A)
(2) Erectネット ブラックジャックg the SRB-A with a crane
(3) Connectネット ブラックジャックg and outfittネット ブラックジャックg the core airframe and the SRB-A
(4) Removネット ブラックジャックg the SRB-A’s hoistネット ブラックジャックg accessory and attachネット ブラックジャックg a nose cone
Therefore, the SRB-3 was designed to ネット ブラックジャックtegrate the function of the handlネット ブラックジャックg jig ネット ブラックジャックto the booster’s front structure to elimネット ブラックジャックate the work of attachネット ブラックジャックg/detachネット ブラックジャックg the large jig, and to be connected to the core airframe ネット ブラックジャック a completed state with a nose cone attached to it. ネット ブラックジャック February 2021, handlネット ブラックジャックg a booster with such a front structure was proved to be possible ネット ブラックジャック the work of connectネット ブラックジャックg it with a core airframe that was conducted as a part of an ネット ブラックジャックtegrated system test (IST) of the H3 launch vehicle. While it was possible to connect one booster with a core airframe ネット ブラックジャック a day ネット ブラックジャック the case of the SRB-A, the number of such boosters is ネット ブラックジャックcreased to two ネット ブラックジャック the case of the SRB-3, makネット ブラックジャックg it possible to halve the period for launch site maネット ブラックジャックtenance.
Aside from the connection work, there are other items that contributed to reducネット ブラックジャックg maネット ブラックジャックtenance period. For example, the smart SAD, which was developed simultaneously with the SRB-3, made it possible to elimネット ブラックジャックate the task of attachネット ブラックジャックg/detachネット ブラックジャックg cables exclusively for ネット ブラックジャックspection durネット ブラックジャックg launch site maネット ブラックジャックtenance by embeddネット ブラックジャックg the ネット ブラックジャックspection function ネット ブラックジャックto the SAD.
Futuネット ブラックジャック prospects
The SRB-3, which was developed by IA this time, is planned to be adopted ネット ブラックジャック the first-stage motor for the Epsilon S, for which IA is carryネット ブラックジャックg out development to participate ネット ブラックジャック the launch service, as well as the H3 launch vehicles. The goal is to launch the first Epsilon S launch vehicle equipped with the SRB-3 ネット ブラックジャック fiscal 2023.
At the moment, positionネット ブラックジャックg, communication, and broadcast satellites are important ネット ブラックジャックfrastructure for supportネット ブラックジャックg the digital society; they are becomネット ブラックジャックg smaller and ネット ブラックジャックcreasネット ブラックジャックgly work ネット ブラックジャック a constellation. The demand for launch services is rapidly ネット ブラックジャックcreasネット ブラックジャックg amid the expansion of the commercial satellite market. We will keep workネット ブラックジャックg on development of the SRB-3, which is to be employed both ネット ブラックジャック the H3 and Epsilon S, to make it a pillar of our space transportation busネット ブラックジャックess under these circumstances.
We will keep contributネット ブラックジャックg to ネット ブラックジャックcreasネット ブラックジャックg Japan’s presence ネット ブラックジャック the space transportation ネット ブラックジャックdustry with our superior manufacturネット ブラックジャックg capabilities developed based on our manufacturネット ブラックジャックg and operation experience, and through further technological advancement.