科学研究 - H3火箭2号机发射成功，成为日本宇宙开发的新王牌

2024年2月17日上午9时22分55秒，新一代大型火箭“H3”的2号机在日本鹿儿岛县种子岛宇宙中心发射升空，成功将2颗小型卫星送入预定轨道，并按预定计划分离了相当于大型卫星的配重。H3是2001年开始使用的“H2A”火箭的后续机型，但2023年3月H3的1号机发射失败，之后研究人员对1号机进行了相应的修改，制成了此次的2号机。自本世纪初H2A诞生以来，日本的地球观测、安全保障、定位和通信等领域的政府和民间的卫星利用取得了长足进展。搭载新发动机、降低发射成本的H3成为日本宇宙开发利用的新主角。

2月17日鹿儿岛县南种子町种子岛宇宙中心成功发射升空的H3火箭2号机（供图：JAXA）

“终于呱呱坠地”，笑容满面的开发负责人打了“满分”

2号机从该中心的吉信第2发射点发射升空。约5分钟后，第一级和第二级机体分离。此前1号机未能启动的2级发动机经过11分7秒的正常燃烧后，相继将佳能电子公司的“CE-SAT-IE”卫星和宇宙系统开发利用推进机构的“TIRSAT”卫星送入了轨道。经过1小时20多分钟的惯性飞行后，2级发动机再次点火燃烧27秒。在发射升空的1小时48分14秒后，又将配重分离了出来。

宇宙航空研究开发机构（JAXA）的理事长山川宏在记者发布会上表示：“再没有比此刻更开心的事情了，也从未有过如此如释重负的日子。日本朝着保持宇宙活动的自主性和确保国际竞争力方面迈进了一大步。这是非常大的一步。”

JAXA的H3开发负责人、项目经理冈田匡史高兴地表示：“H3终于呱呱坠地了。虽然只是今天此时此刻的感受，我感到肩上的重担终于卸下了。未来才是硬仗，我们要努力确保（日本的航天事业）从太空轨道顺利转换到商业轨道。”当被问及得分时，他自豪地表示：“满分。”

关于2号机，JAXA事先曾表示其目的是验证H3火箭的开发状况，不会明确宣布发射成功或失败。从结果来看，2号机飞行顺利，所有有效载荷（卫星等装置）均按计划运送到位，因此在发布会上被追问成功与否时，岡田先生回答道：“取得了成功。”

三菱重工业H3项目经理新津真行（左）和JAXA项目经理冈田匡史在记者发布会上满面笑容（截图自在线采访画面）

对1号机发射失败的3种原因均采取了对策

H3火箭1号机于去年3月7日发射，但2级发动机未能点火导致发射失败，搭载的地球观测卫星“大地3号”也因此损毁。发射失败的原因是2级发动机的电气系统异常。这款时隔22年的新型大型火箭首次亮相就遭遇了挫折，给日本的宇宙开发利用带来了沉重打击。

2023年3月7日，H3火箭1号机升空，1级发动机正常工作，但此后……（SciencePortal编辑部腰高直树拍摄）

JAXA和三菱重工业等对发射失败的原因进行了调查，对发生异常的场景锁定至3种可能性：（1）发动机点火装置出现短路；（2）点火装置通电产生过电流；（3）接收计算机指令，控制发动机周围装置的两个设备系统中有一个发生了过电流，殃及另一个故障备用系统。2023年10月，文部科学省的宇宙开发利用委员会公开了上述内容的报告书。报告书还指出，失败产生背景还包括过于看重使用了多年的装置，以及缺乏应对措施和确认等。

日本政府和JAXA等认为，不能等到将原因确定到一个的那一天，而应该优先考虑H3的尽早运用。2号机对上述3种可能性全部采取了再发防止措施。具体体现在：（1）加强点火装置部件的绝缘和检查；（2）选择部件使加载到晶体管上的电压处于额定范围内；（3）部件“稳压二极管”有可能成为故障原因，即使没有它火箭也不会产生问题，所以将其从电路中删除。

另外，对于被怀疑是失败的复数个原因，H2A也采取了与H3相同的对策，2023年9月和2024年2月12日H2A连续两次均发射成功。

实现性能提升和低成本化

H3是H2A和2020年停止使用的增强型“H2B”的后续机型。H3为2级液体燃料火箭，1、2号机的全长为57米，不含卫星的重量为422吨。H3的最大承载能力超过了H2B的 6吨，达到6.5吨以上（地球同步转移轨道，换算为赤道发射）。由JAXA和三菱重工业合作开发，迄今为止的开发费用为2197亿日元。

除了新开发的1级发动机外，H3还通过大量使用汽车等民用部件而非航天专用部件来提高效率。H2A基本型的发射费用约为100亿日元，H3的目标是将其减半。H3旨在提高性能和成本降低的两不误，除了政府卫星外，还可以搭载近年来逐渐大型化的商业卫星。还可作为科学探测器、国际空间站（ISS）以及计划建设的月球轨道基地的物资补给机。

2024年2月17日，种子岛宇宙中心确认到了CE-SAT-IE卫星的成功分离，控制室内研究人员兴奋不已（供图：JAXA）

H3与H2A和小型固体燃料火箭“艾普斯龙（Epsilon）”一道构成了日本的主力火箭阵容。1、2号机由JAXA作为试验机发射，将来它将像H2A一样移交给三菱重工业，并投入商业发射市场。

根据日本政府的宇宙基本计划进度表，H3计划在2024年度搭载地球观测卫星“大地4号”、防卫通信卫星、准天顶卫星进行3次发射。H2A将在2024年度发射信息收集卫星、温室气体与水循环观测技术卫星后退役。

1级发动机作为研发亮点从1号机时起便获得“成功”

H3的1号机发射失败后，作为原因的2级电气系统一直备受关注，但是回顾H3的开发过程，其最大亮点其实是转换了设计思路的1级发动机“LE9”。LE9发动机在1号机上也正常运行并取得了“成功”。在1级发动机的设计中首次采用了一直用于2级发动机的日本独有的“膨胀排气”燃烧方式。与H2A的1级发动机的“2级燃烧”相比，它略微牺牲了燃料效率，但简化了结构。

无论哪种燃烧方式，基本原理都是通过泵将液态氢和液态氧燃料加压送入燃烧室，然后将产生的气体从喷嘴排出。2级燃烧首先在副燃烧室中燃烧氢气，然后用气体驱动泵，再将气体送入燃烧室，即分为2阶段进行燃烧。这样虽然不浪费燃料，燃料效率高，但控制起来非常复杂。

而膨胀排气则首先通过燃烧室的热量使氢气体积增大（膨胀），使泵运转。由于没有副燃烧室，部件数量减少了20%以上，可以降低成本并提高可靠性。而且估计在出现故障时爆炸的风险非常小。不过，在这一过程中，驱动泵的氢气不会被送入燃烧室，而是从喷嘴排出（排气）。这样做会牺牲3%的燃料效率，但使得控制变得更加容易。

LE9发动机（供图：三菱重工业）和膨胀排气的基本工作原理（根据JAXA、三菱重工业的资料和采访内容制作）

H3的开发始于2014年，当初的目标是2020年实现发射。但就在2020年5月被认为研发已接近开发尾声的燃烧试验中，LE9的燃烧室出现了产生很多小孔等问题，此后又在2022年1月宣布发现了涡轮异常振动，发射计划之后被反复延期。1级发动机需要克服地面重力使火箭机体升空，因此需要与2级发动机相差悬殊的推进力。但值得特别指出的是，虽然1号机的发射失败了，但LE9出色地完成了工作。

笔者还记得，当时在现场报道1号机发射时，比起发射失败本身，问题出现在开发要素较少的2级而非1级，曾经让笔者更感到意外和不解。

受发射失败的影响，搭载大型卫星的计划被搁置

由于1号机的失败，日本政府和JAXA对2号机的计划进行了大幅度调整。

H3的机体结构根据1级发动机（LE9）和固体辅助火箭助推器的数量而相应变化。变更前的2号机采用了3台1级发动机、无助推器的最低配置，计划搭载地球观测卫星“大地4号”。修改后，改为与1号机完全相同的2台1级发动机、2台助推器。这样做的原因是可以最大限度地利用1号机的飞行数据，并且这种配置可搭载更多类型的卫星。

为了避免发射失败也不会损失大型卫星，2号机放弃了搭载大地4号卫星的计划，而是采用金属仿制的配重来代替。与此同时，在不影响2号机的目标——验证H3飞行情况的前提下提供了利用火箭的机会，决定在“发射失败不补偿”的条件下免费搭载2颗小卫星。这2颗小型卫星以及装配结构件的总重量（约2.6吨）与“大地3号”（约3吨）基本相同。

安装在2级机体顶部的配重（中央的柱状物）。左下方安装了小型卫星CE-SAT-IE，右下方安装了小型卫星TIRSAT。照片摄于2月5日、种子岛宇宙中心（供图：JAXA）

在主力火箭方面，艾普斯龙最终型号6号机也于2022年10月发射失败。此外，2022年7月，正在开发的改进型“艾普斯龙S”2级机体在燃烧试验中发生爆炸。好在这次H3终于取得成功，希望日本主力火箭的开发能够借此机会重整旗鼓。

火箭研发一路艰辛，欧美亦如此

阿丽亚娜6示意图（供图：阿丽亚娜航天公司）

在大型火箭开发之路上苦苦摸索的，不仅仅是日本。在欧洲，一直以来引领全球商业发射市场的“阿丽亚娜5”已于2023年7月停止使用。然而，原定于2020年首次发射的后续机型“阿丽亚娜6”却一再推迟，据悉推迟到了2024年夏天。其原因是，设计变更和新冠疫情等带来的影响，导致发动机燃烧试验等工作耗时增加。

在美国，运营有“阿特拉斯5”等火箭的联合发射联盟的“巴尔干”号火箭也终于在1月8日完成了首次发射。阿特拉斯5的发动机为俄罗斯制造，但为了摆脱对俄依赖，在巴尔干上选择了由美国蓝色起源公司制造的发动机，这也导致了开发时间延长。

对于火箭开发的这些困难，冈田坦言道：“这是制作大规模系统的工作，很难制定时间表。（H3首次发射）延期的原因是LE9的开发，我认为初期的研究阶段应该更加扎实一些。有的问题在最初没能解决，到了后续阶段还是逐渐显现了出来”。

火箭短缺的全球市场，H3开发是日本的职责

近年来，贯彻低成本的美国Space X公司的“猎鹰9”在市场上崭露头角，2017年还实现了1级机体的再利用。如今，它已占据了绝对的市场份额，成为了“商业火箭之王”。而需要注意的是，以H3为代表的日本主力火箭，在地位上与“猎鹰9”略有不同。

主力火箭最重要的作用是不依赖外国，而依靠本国的力量发射包括有助于安全保障和防灾的卫星在内的政府卫星、探测器、宇宙飞船等。然而，为了确保火箭存续，就需要频繁地发射以维持相关产业，仅仅依靠政府的需求是不够的。进入市场＝商业领域，积极承接商业卫星和外国卫星等的发射订单是必不可少的。降低成本的H3开发的重要目的之一，就在于此。

日本大型火箭的发射成功率，H2A和H2B合计约98%，处于世界顶尖水平。除了恶劣天气以外，由于其他原因造成的延期较少，这也成为了日本的一个有力卖点。H2A迄今已成功发射了韩国、加拿大、阿联酋（UAE）、英国的卫星和探测器等，日渐赢得了全球的信赖。如果H3能够延续这样的成绩，稳扎稳打取得成功极为重要。

近年来，以将多颗卫星联合起来的“星链”计划为首，卫星的利用取得了飞跃性进展。尽管如此，自2022年2月俄乌战争爆发以来，此前作为主流的“联盟号”“质子号”等俄罗斯火箭无法使用，全球市场的火箭短缺问题愈发严重。在迫切需要稳定可靠火箭的情况下，H3在不断磨炼技术的同时满足世界的需求，这是以科技立国为根本的日本的职责。