技术派｜屋漏偏逢连夜雨，日本H-3新型火箭首飞再次失败

源济

技术派｜屋漏偏逢连夜雨，日本H-3新型火箭首飞再次失败

澎湃新闻特约撰稿 林森

2023-03-07 11:17

来源：澎湃新闻

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日本新一代运载火箭H-3首飞失败，这对该型火箭而言可谓屋漏偏逢连夜雨。

在查明上次未能点火成功升空的原因后，3月7日，日本新一代运载火箭H-3再次尝试进行发射，火箭虽然成功点火升空，但二级发动机未能成功点火，星箭俱毁。H-3研制之路并不顺，首飞时间多次推迟，首飞又遭遇失败，对该型火箭发展来说是一个巨大的打击。

矗立在发射塔架上的H-3火箭。

日本液体火箭的进阶之路

H-3火箭此前在2月16日尝试进行首飞，但因发动机未能成功点火，发射紧急中止，后查明是因为第一级的LE-9主发动机点火后控制系统检测到异常信号，飞行控制软件因此停止倒计时，未向固体火箭推进器发出点火信号，导致发射中止。经调查，检测到异常信号的原因是火箭第一级的LE-9主发动机电源系统出现异常。

人类进入太空时代后，日本也紧跟潮流，在1959年7月成立了日本科技厅航天科学振兴筹备委员会并发布了第一个航天发展规划，开始进军太空。在运载火箭方面，日本最早着重发展固体火箭。1970年2月11日，日本从鹿儿岛航天发射中心使用一枚L—4S运载火箭，将一颗名为“大隅”号的试验卫星送入轨道，虽然卫星只有重9.4千克，但日本却因此成为继苏、美、法之后第四个独立使用本国火箭和卫星送入太空的国家。

L-4采用固体火箭发动机，长约16.5米，直径1.4米，最大运载能力只有26千克，但却是日本第一种实用型运载火箭。后期日本又研制成功了M系列固体运载火箭，运力有大幅提升，比如M-3S -II型火箭最大运载能力达到了750千克，可用于发射一些应用卫星。由于L系列和M系列固体火箭运载能力较小，日本从上世纪80年代开始研制H系列液体运载火箭。

日本H-2B火箭发射货运飞船升空。

1986年8月13日，日本成功发射了首枚H-1运载火箭，随后日本又开始研制运载能力更大的H-2火箭。为了H-2火箭，日本研制了百吨级的LE-7分级燃烧循环液氧液氢发动机和LE-5A膨胀循环液氧液氢发动机，这两种发动机在当时整体性能是非常出色的。由于H-2火箭成本太高，日本随后研制了H-2A火箭和H-2B火箭，前者以H-2火箭为基础改进而来，使用性能稍逊但可靠性更高的LE-7A和LE-5B发动机。H-2A于2001年8月首次发射成功，最大起飞重量为445吨，全箭长53米，直径4米，近地轨道运载能力10吨-15吨，地球同步转移轨道运载能力4.1吨-6吨。

在H-2A的基础上，通过增加芯级直径，研制了运载能力更大的H-2B火箭，最大运载能力达到 16.5吨。H-2B于2009年首次成功发射升空，与H-2A的区别在于H-2B一子级使用了两台LE-7A发动机，同时将一子级火箭的燃料箱直径由原来的4米扩大到5.2米，其最大起飞重量为551吨，全箭长56米，直径5.2米，近地轨道运载能力16.5吨，地球同步转移轨道运载能力8吨。H-2B发射次数较少，主要用于发射日本HTV运货飞船，为国际空间站运送物资和补给。

虽然，上述两种火箭的性能较为先进，在性能和运载能力上完全能同欧美国家的运载火箭媲美，但较高的发射成本和较长的发射周期成为其获取国外卫星发射订单的最大障碍。根据相关资料，H-2火箭发射成本为1.5~1.7亿美元，H-2A降到了9000万美元，但依然没有什么竞争力，毕竟SpaceX公司的“猎鹰”9火箭一开始的发射价格能做到6200万美元左右，后面随着火箭一子级可重复使用技术的成熟和整流罩可重复使用技术的突破，不少订单发射成本降至5000万美元以下。为了增强国际市场竞争力，日本2015年开始研制H-3火箭。

为了掌握弹道导弹相关技术，日本非常重视固体火箭技术的发展。

降成本剑走偏锋

H-3火箭研制由JAXA主导，三菱重工和石川岛播磨重工等公司参与， H-3火箭全长63米，直径5.2米，起飞重量422吨，采用的LE-9和LE-5B液氧液氢发动机，最大真空推力约147吨。

H-3分为无捆绑、捆绑2台助推器和捆绑4台助推器的4种构型，具备2～7吨的静地转移轨道运载能力。采用无固体助推器捆绑配置时，H-3第一级将设3台LE-9，而在采用有捆绑配置时一级发动机数量减为2台。助推器以“艾普西龙”先进固体运载火箭的二子级为基础研制。

LE-9是一种开式膨胀循环液氧液氢发动机，通过开式膨胀循环的独特设计，实现了火箭发动机膨胀循环高可靠性和开式循环大推力的统一，整体性能达到世界先进水平。根据相关资料，LE-9的开发工作于2006年开始。当时三菱和IHI正在研究LE-X开式膨胀循环发动机，进而催生了LE-9发动机。开式膨胀循环将一部分氢气经过加热汽化后推动涡轮泵，其余部分进入燃烧室，驱动涡轮泵的那一部分氢气则作为废气排出。这种发动机比分级燃烧循环更简单，并且可以使发动机在较低的压力和温度下更强劲地运行，缺点是较低的比冲。

LE-9从2006年开始研制，从2017年4月起开始各项目的测试，但测试过程并不顺利。2017年8月8日，JAXA角田航天中心对LE-9发动机的涡轮泵组件进行单元测试。安装在复制型LE-9发动机上的涡轮泵经过了一系列测试，以确保其功能和性能。在后续的测试过程中，LE-9发动机出现了发动机叶片变形、断裂等问题，这也是H-3火箭首飞时间一推再推的重要原因。

为了降低发射成本，H-3火箭大量采用现有成熟技术和设计，并且减少了操作人员和发射准备时间。

2017年6月30日，JAXA测试了LE-5B-3发动机。LE-5B-3是H-2系列火箭使用的LE-5B-2发动机的升级版，在成功发射了数十枚H-2火箭之后，LE-5B-2得到了充分的可靠性测试，因此JAXA将其进行改进以降低LE-5B-3的成本。2018年8月，JAXA对SRB-3助推器进行了完整的地面点火测试。测试地点位于JAXA种子岛太空中心竹崎发射场的实心火箭地面燃烧测试设施，测试结果符合预期，点火持续时间110.1秒，最大推力2137千牛。

由于采用了大量现有成熟技术和设计，并使用了消费类零部件和易于量产的机体，再加上自动化检测与发射控制模式，减少操作人员和发射准备时间，H-3火箭的发射成本比H-2A降低近一半，日本计划将火箭发射总成本控制在5000万-6500万美元之间，以便日本争取国际航天市场订单，其中，最低配置的H-3火箭（没有固体助推器）发射价格为5100万美元左右，相较于之前的H-2火箭，国际市场竞争力有一定增强。

近年来，国际商业航天市场规模不断增加，据美国卫星产业协会(SIA)统计数据显示，2014年以来，全球航天产业收入规模持续增长，到2021年，全球航天产业收入规模为3864亿美元，同比增长4.1%。稳步增长的市场规模让很多国家都想分一杯羹，H-3火箭的研制初衷也是奔着赚钱和省钱去的，赚钱的手段主要是进军国际发射市场，为国外客户提供发射服务，省钱是给自己国家节省发射费用。

然而，常言道，理想很丰满，现实很骨感，H-3火箭立项研制之初，SpaceX公司的“猎鹰”9可重复使用火箭还未成功，H-3火箭降低发射成本的方式并不是技术创新，更多是在成熟技术和精简人员上下功夫，然而当时间来到2023年的时候，时过境迁，“猎鹰”9火箭的可重复使用技术已经成熟，成功回收了近70次，发射成本非常具有竞争力，可以做到低于5000万美元。此外，印度、俄罗斯等国的火箭也非常具有价格竞争力。H-3火箭原计划在2020年首飞，最后推迟到2023年2月17日，但遭遇了未能成功升空的情况，3月7日的首飞任务虽然点火升空，但二级发动机没能成功点火，任务最终以失败告终，生不逢时又遭遇屋漏偏逢连夜雨，首飞失败不仅会推迟其投入使用的时间，而且国外客户还可能担忧其发动机可靠性，进而选择别的发射服务，因此，H-3火箭进军国际发射市场的道路将布满荆棘，难有大的作为。