王姝雅 馬昆 王林 （ 北京航天長征科技信息研究所， 中國運載火箭技術研究院）

H3 火箭從種子島航天中心發(fā)射升空

作為國外新一代主力運載火箭第一個進行首飛的型號，經(jīng)歷多次推遲的H3 首飛任務仍遭遇終止和失敗。這是繼2022 年10 月“艾普斯龍”（Epsilon）火箭因二子級姿控系統(tǒng)故障發(fā)射失敗后，日本再次遭遇發(fā)射失利。

1 首飛任務及失利概況

北京時間2023 年3 月7 日9 時37 分，日本宇宙航空研究開發(fā)機構（JAXA）研制的新一代大型運載火箭H3 發(fā)射升空，執(zhí)行首飛任務，計劃將先進陸地觀測衛(wèi)星-3（ALOS-3）光學遙感衛(wèi)星送入太陽同步軌道（SSO）。JAXA 在任務失敗后提供的數(shù)據(jù)顯示，自動倒計時結束后，H3 火箭從位于種子島航天中心的發(fā)射臺順利升空，隨后固體火箭助推器成功分離。4min56s 后，一子級主發(fā)動機關機，一、二子級成功分離，與計劃飛行時序一致。然而，本應在5min16s 點火的上面級發(fā)動機并未啟動，在達到約3.6km/s 的速度后，火箭開始減速。傳回地面控制中心的數(shù)據(jù)顯示，在沒有上面級發(fā)動機推力的情況下，火箭飛行至約630km 的最大高度。在確定無法將有效載荷送入指定軌道后，地面控制中心在發(fā)射后13min55s 向火箭發(fā)出指令自毀，H3 首飛箭和3t 重的ALOS-3 衛(wèi)星碎片落在菲律賓以東海域[1]。

H3 的首次發(fā)射窗口原定于北京時間2023 年2月17 日9 時37 分開啟，但由于在自動點火倒計時期間，火箭芯一級系統(tǒng)檢測到異常，未發(fā)送固體助推器點火信號，發(fā)射遭遇中止。經(jīng)調查，LE-9 主發(fā)動機啟動后，在切斷箭上和地面之間的所有電源和通信連接時，瞬間電勢變化影響到火箭一子級的飛行控制系統(tǒng)（V-CON1），V-CON1 檢測到錯誤命令，因此未發(fā)送固體助推器點火信號，導致發(fā)射中止。針對上述問題，JAXA 將上述程序從一次性切斷所有電源和通信連接，調整為間隔切斷，并通過試驗驗證了該方法抑制瞬間電勢波動的有效性。

JAXA 在失利后提供的本次任務的實際飛行數(shù)據(jù)

故障調整情況

2 H3 火箭技術方案

構型

H3 火箭的結構設計以H-2A 和H-2B 為基礎，最大限度地利用原有技術，基于簡化設計和通用化設計的原則實現(xiàn)靈活、可靠和低成本的研制目標。H3火箭由JAXA 牽頭研制，三菱重工有限公司（MHI）為其主承包商。

H3 火箭采用兩級加捆綁助推器構型，直徑5.2m，整箭高57 ～63m，芯一級采用2 ～3 臺LE-9 氫氧發(fā)動機，上面級采用1 臺LE-5B-3 氫氧發(fā)動機，捆綁固體助推器數(shù)量為0/2/4 枚，可配合使用長短2 種整流罩，主要有4 種構型，起飛質量270 ～572t，其中無助推構型（H3-30S）的太陽同步軌道運載能力為4t，4 助推構型的地球同步轉移軌道（ΔV=1500m/s）運載能力為6.5t。無助推構型計劃用于政府載荷發(fā)射，其他構型則用于商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射。

本次首飛構型為H3-22S，即芯一級安裝2 臺LE-9、捆綁2 枚固體助推器、采用短型整流罩的構型，起飛質量422t、高57m，所發(fā)射的ALOS-3 衛(wèi)星質量為3t，目標軌道為669km 的太陽同步軌道（SSO）。

H3 火箭的SRB-3 固體助推器基于此前H-2A/B 的SRB-A 改進而來，直徑同樣為2.5m，長15m，推進劑質量67.2t，總質量76.2t，工作時長110s，海平面推力2158kN，比沖283.6s，采用固定噴管。SRB-3 采用日本國產碳纖維復合材料殼體制造方案替代了此前從美國引進的制造技術和設備，降低了成本。在捆綁連接和分離方式上，利用“推力銷”替代了SBR-A 采用的6 根傳力桿，利用氣動伺服機構驅動的活塞機構實現(xiàn)分離，實現(xiàn)了設計簡化和結構減重。另外，SRB-3 還將作為艾普斯龍-S 改進型固體小型火箭一子級，達到模塊通用化和降低總體成本的目的。

H3 的一子級基于H-2B 一子級改進而來，直徑同為5.2m，長37m，總質量240t，推進劑質量225t，工作時長約300s，可以安裝2 臺或3 臺LE-9發(fā)動機。LE-9 是世界上首型采用開式膨脹循環(huán)（膨脹排氣循環(huán)）的主發(fā)動機，海平面推力1221kN，真空推力達1471kN，真空比沖425s。真空推力相比H-2A/B 上采用分級燃燒循環(huán)的LE-7A 的1078kN有所提升，但真空比沖低于LE-7A 的446s。發(fā)動機創(chuàng)新改進包括開式膨脹循環(huán)、3D 打印制造、電動閥變推力控制（最大調節(jié)能力達到60%）等。

二子級直徑5.2m，長12m，總質量27t，推進劑質量24.5t，工作時長約686s，采用LE-5B-3 氫氧發(fā)動機。LE-5B-3 基于H-2A/B 的LE-5B-2 改進而來，同樣采用開式膨脹循環(huán)，真空推力137kN，真空比沖從446.6s 提升至448s，最大工作時長從534s 增 加 至740s，具 備5 次 啟 動 能力。JAXA 在2017-2019 年針對LE-5B-3 發(fā)動機開展了2 輪共計35 次試車，并在2020 年7-8 月對二子級進行了3 次試車，針對試車過程中出現(xiàn)的液氫渦輪分子泵轉速過高、供氧壓力下降等問題進行改進，對二子級及其發(fā)動機進行了充分驗證。不過，本次發(fā)射還是出現(xiàn)二子級發(fā)動機未能啟動的故障情況。

H3 系列火箭包括4 種構型

分系統(tǒng)

JAXA 基于簡化設計和通用化設計原則，在H3火箭推進、結構和電氣3 個主要分系統(tǒng)上采取了多方面的措施。

1）推進分系統(tǒng)。減少發(fā)動機零部件數(shù)量、采用更便于加工的形狀、簡化工序并實現(xiàn)流程自動化；閥門和傳感器等零部組件采用汽車航空工業(yè)領域的商業(yè)現(xiàn)貨產品，但要經(jīng)過嚴格評估；采用電動執(zhí)行機構替代伺服機構的液壓系統(tǒng)和閥門的氣壓作動系統(tǒng)，飛行過程中所有閥門和伺服機構全部依靠電力驅動。

2）結構分系統(tǒng)。進一步擴大旋壓成型工藝應用范圍，減少使用大型鍛造環(huán)和厚壁板材；發(fā)動機段、箱間段采用自動鉚接工藝；分離機構和火工品等關鍵部件和H-2A/B 共用。

3）電氣分系統(tǒng)。采用“分布式控制系統(tǒng)”和“網(wǎng)絡”系統(tǒng)，電氣系統(tǒng)的設備都連接到網(wǎng)絡中，相比在H-2A/B 上傳感器、計算機、通信設備通過獨立線纜與地面連接傳輸信息的方式，分布式、網(wǎng)絡化的結構大幅減少線纜的數(shù)量，減輕了重量、簡化了發(fā)射場組裝、檢查和發(fā)射工作，并降低了成本。另外，為提高系統(tǒng)可靠性，H3 火箭電氣系統(tǒng)冗余能力也得到改進和提升。

制造

為了提高H3 火箭研制效率，縮短研制周期，同時也為了進一步降低后續(xù)使用階段的運營成本，JAXA 優(yōu)化了H3 火箭的生產制造方式，同時還引進了很多新技術。

研制過程中，采用“快速跟蹤”的方式，并行開展設計研發(fā)工作和制造工作，在設計和驗證還沒有完全結束之前，就啟動樣件和樣機的制造，盡管可能會帶來“返工”的風險，但可以通過風險管理盡可能規(guī)避“返工”問題，從而大幅提高效率，縮短研制周期。

為了在H3 火箭進入穩(wěn)定運營狀態(tài)之后，實現(xiàn)發(fā)射價格降至H-2A 一半左右的目標（指H3-30S 構型），負責火箭制造的總承包商三菱重工擴建了火箭制造裝配廠房，在當前借鑒汽車和航空工業(yè)流水線生產方式的基礎上，后續(xù)將把H3 火箭分為4 個部分，各個部分的轉移過程和加工過程同步進行，并稱之為“節(jié)拍生產”。

最后，在繼承H-2A/B 技術的同時，日本還考慮新技術整合應用，裝配制造和檢測的自動化，以及3D 打印等新技術。LE-9 發(fā)動機的管道、閥門、噴油器、燃燒室等結構件大量采用3D 打印技術，其中噴注器從此前500 個零部件組裝簡化為一體成型，才能使整體成本降低50%以上成為可能。

3 研制背景及歷程

背景

盡管日本的航天發(fā)射次數(shù)較少，在國際商業(yè)發(fā)射市場上的份額也很少，但是一直強調其主力火箭的國際競爭力，因此也將H3 火箭與獵鷹-9（Falcon-9）、阿里安-6（Ariane-6）、“火神”（Vulcan）、“新格倫”（New Glenn）和安加拉-A5（Angara-A5）等新型火箭對標，提出要將H3 火箭的單次發(fā)射成本降至50 億日元，在衛(wèi)星發(fā)射需求規(guī)?；投鄻踊纳虡I(yè)市場上尋求更多機會。

日本發(fā)展H3 火箭更重要的原因是要保持獨立自主進入空間的能力。航天技術和裝備的快速發(fā)展，也對進入空間能力提出了更高的需求，需要更加高效和可靠的發(fā)射方式，而且還能夠與“艾普斯龍”小型固體火箭共用技術，保持其固體火箭技術的能力。

另外，日本還提出避免航天人才斷層的問題，從H-2A/B 研制活動至今已經(jīng)30 年，需要開展新的火箭研制項目來培養(yǎng)人才，傳承經(jīng)驗，保證日本航天工業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

因此，H3 運載火箭是日本為降低現(xiàn)役主力火箭的高昂成本而開發(fā)的下一代大型運載火箭，經(jīng)過近十年的研制，來維持和加強日本航空航天工業(yè)基礎，為日本提供可靠進入空間的能力，并提升日本在國際商業(yè)發(fā)射服務市場上的競爭力。根據(jù)對客戶的調研結果，在H3 火箭的開發(fā)規(guī)范中還規(guī)定了以下三點：①有競爭力的發(fā)射能力和價格；②發(fā)射場的操作改進以及確保在預定日期發(fā)射；③給衛(wèi)星提供振動更小，環(huán)境更好的發(fā)射條件。

主要大事件

2013 年5 月，日本內閣航天運輸系統(tǒng)委員會向日本政府提出研制H3 運載火箭的建議。

2014 年1 月，日本政府正式批準，為H3 火箭的研制提供總額19 億美元的研制經(jīng)費。

2014 年4 月，JAXA 和三菱重工有限公司著手H3 運載火箭的開發(fā)。

2016 年6 月，JAXA 對火箭實施綜合系統(tǒng)基本設計審查，審查結果表明可以進入詳細設計階段。

2017 年4 月，開始在種子島宇宙中心開展一子級發(fā)動機LE-9 的點火試驗。

2017 年12 月，JAXA 對火箭實施綜合系統(tǒng)詳細設計審查，判斷可以進入試驗機制造階段。

2020 年5 月，LE-9 發(fā)動機在地面試車過程中燃燒室和渦輪泵出現(xiàn)技術問題。

2020 年9 月，為了應對上次試驗中出現(xiàn)的問題，JAXA 重新修改了H3 運載火箭的開發(fā)計劃，并將試驗機1 號機（TF1）的發(fā)射時間推遲到不晚于2021 財年。

2022 年1 月，JAXA 宣布，由于2020 年在鑒定試車中暴露出的發(fā)動機故障問題仍未解決，首飛時間再度推遲。

2022 年3 月下旬至7 月上旬，在種子島宇宙中心通過發(fā)動機燃燒試驗進行葉片振動測試，選定適合試驗機1 號機的規(guī)格。

2022 年7 月下旬起，開始實施認定燃燒試驗（共9 次）；9 月下旬，首臺LE-9 發(fā)動機已通過試車鑒定并安裝到一子級，10 月初，首飛箭所采用的第二臺LE-9 發(fā)動機也通過了驗收試驗，試驗結果表明，發(fā)動機可以全部按照預期工作，能夠搭載首飛箭上天。

2022 年11 月，H3 首飛箭在種子島航天發(fā)射場的發(fā)射臺上進行了全箭靜態(tài)點火試驗，芯一級的兩臺LE-9 發(fā)動機工作25s 后關機。此后，JAXA 對試驗中出現(xiàn)的一子級液氧加壓接頭處泄漏、液氧貯箱頂部溢流閥以及火箭尾焰導流槽出口噪聲超過振動環(huán)境條件限制值等問題進行改進，并著手發(fā)射準備工作。

4 研制特點分析

繼承已有技術，平衡技術創(chuàng)新和可靠性

H3 總體構型基本與H-2A/B 一致，采用固體捆綁助推器加芯級氫氧構型，保持靈活性和通用性；直徑與H-2B 主結構一致，為5.2m，旋壓成型等大尺寸結構的制造技術和能力得到以沿用，原有的地面設備也能夠相匹配；主要動力系統(tǒng)都是在已有的基礎上進行改進，除LE-9 相比LE-7A 在循環(huán)方式上有較大變化外，SBR-3 和LE-5B-3 都以局部適應性改進為主，而不是全面顛覆原有方案；而分離系統(tǒng)和火工品等關鍵單機組件則直接繼承自H-2A/B。

基于簡化和通用化原則，大幅降低成本

為在激烈的市場競爭中占據(jù)一席之地，H3 運載火箭通過簡化結構、減少特殊材料使用以及自動化工藝來實現(xiàn)成本的降低。如利用旋壓成型工藝減少推進劑箱結構部件數(shù)量、將自動鉚接機用于結構裝配、將3D 打印技術用于管路和噴射器等部件，以及使用飛機和汽車工業(yè)中的商業(yè)貨架電氣零部件。

此外，H3 不同構型的組件和結構大量采用通用化設計，如推進劑管路被設計為共同的結構，管道數(shù)量根據(jù)發(fā)動機數(shù)量自由調整；長型整流罩的上部也采用與短型相同的標準化結構，只需在短型上增加圓形下部即可；JAXA 還對反作用控制系統(tǒng)（RCS）肼基推進劑加注量以及箭上數(shù)據(jù)傳輸天線安裝位置進行標準化和規(guī)范化設計，以最大限度地減少每次任務的定制操作。這種與有效載荷質量相對應的通用化、模塊化設計不僅能帶來具有國際競爭力的發(fā)射服務價格并提高生產效率，也為客戶提供許多好處，如更易于更換組件、縮短組件成熟時間以及穩(wěn)定的質量等。

優(yōu)化生產制造環(huán)節(jié)，面向批產進行布局

與美國很多新興商業(yè)航天公司重視制造和批產的研制理念類似，日本也非常重視H3 火箭的生產制造環(huán)節(jié)，在研制過程中盡可能將樣機制造前移，利用3D 打印和旋壓成型等工藝提高生產效率，為后續(xù)火箭產品引進了“節(jié)拍生產”模式。而且，在未來的運營中，H3 運載火箭還將采用“計劃生產”而非按訂單生產。按計劃制造的運載火箭將定期運往發(fā)射場。計劃生產可以避免生產過程重疊和閑置時間，最終降低生產成本。這種生產方式還可以防止對特殊任務所需的專用生產設備進行過度投資，創(chuàng)造相對理想的生產過程。為了在實行這種生產模式的同時滿足客戶需求，從工廠交付的運載火箭將被存儲一段時間（發(fā)射場運載器組裝大樓內），當有新的發(fā)射需求或訂單時，儲存的運載火箭可快速為下一次發(fā)射做好準備。

5 首飛失利影響分析

JAXA 發(fā)布的故障調查報告顯示，火箭一、二級分離后，二級發(fā)動機控制器（ECB）收到了二級控制系統(tǒng)（PSC2，采用A/B 雙系統(tǒng)冗余備份）點火指令。之后PSC2 進行自檢時，先發(fā)現(xiàn)PSC2-A 系統(tǒng)輸出到點火啟動執(zhí)行組件（PNP）的電壓下降，關閉PSC2-A 系統(tǒng)后，備份的PSC2-B 系統(tǒng)輸出到PNP的電壓同樣也明顯下降，PNP 因電壓不足無法執(zhí)行點火啟動的相關動作。PSC2 到PNP 的輸出電壓下降可能是由于誤檢、啟動瞬時電流過大、線路短路等原因，但還未明確定位，還需要進一步試驗確認。H3 火箭首飛失利將對日本未來的航天發(fā)展計劃、航天發(fā)射業(yè)務以及技術競爭力等方面產生影響。

日本主力火箭更新?lián)Q代的計劃將進一步推遲

根據(jù)日本內閣府于2020 年6 月發(fā)布的《宇宙基本計劃》，H3 原計劃在2023 年后取代自20 世紀90年代以來的主力火箭H-2A/B，但由于研制過程中芯一級LE-9 主發(fā)動機研制受阻，本就已經(jīng)多次推遲，加上本次發(fā)射失利影響，短時間內可能還難以完成換代。然而H-2B 已經(jīng)在2019 年退役，三菱重工在2022 年則表示H-2A 將在完成50 次任務后就停產[2]，目前僅剩余4 次發(fā)射任務，火箭換代期間日本可能會面臨一定壓力。

日本進入國際商業(yè)發(fā)射市場的意圖受阻

JAXA 通過優(yōu)化生產、制造以及服務流程等方式削減H3 火箭發(fā)射成本，提高發(fā)射頻率，試圖提高競爭力。然而在競爭激烈的國際市場上，日本需要多長時間進行故障調查分析并完成復飛，會在很大程度上影響其能夠把握當前大型星座發(fā)展的市場機遇。而且，從研發(fā)定位來看，在可重復使用的獵鷹-9 市場穩(wěn)固、低軌道大星座逐漸成為主流的商業(yè)航天市場格局下，發(fā)射服務的優(yōu)勢特點和競爭實力仍有不足。結合近年來日本航天發(fā)射任務不多，火箭的生產數(shù)量較少，加之此次H3 首飛的失利，日本還未具備兼顧低成本與高可靠性發(fā)射的能力。JAXA 也表示，H3 首飛失敗可能會提高未來的發(fā)射成本，但仍將致力于研發(fā)具有競爭力的火箭。

日本在美國牽頭的深空探測計劃中參與度可能會打折扣

日本計劃利用H3 火箭和HTV-X 貨運飛船向月球“門戶”（Gateway）運輸貨物，參與美國的“阿爾忒彌斯”（Artemis）載人月球探測計劃：第一步是利用2 發(fā)H3 火箭發(fā)射HTV-X 貨運飛船和服務艙，再前往環(huán)月軌道；第二步是在21 世紀30 年代前后推出捆綁2 枚通用芯級助推器的H3 重型火箭，月球軌道運載能力達11.9t，可直接發(fā)射HTV-X 貨運飛船和著陸器。原本就計劃10 年后發(fā)射的H3 重型也會因首飛失利而存在更大的不確定性。

6 結束語

H3 火箭首飛因LE-9 主發(fā)動機問題多次推遲，根據(jù)目前公布的信息，首飛任務中方案特別、研制歷程坎坷的LE-9 主發(fā)動機表現(xiàn)正常，初步得到了驗證，反而是二子級相對成熟的LE-5B-3 發(fā)動機未能成功啟動。與此同時，美國的“火神”、歐洲的阿里安-6等新一代主力火箭也在研制過程中遭遇了不同程度的技術問題，仍在進行首飛前各項驗證準備工作。H3雖然爭得了新一代主力火箭首飛的先機，但卻未能成功。這在一定程度上說明，航天發(fā)射活動的高風險性，特別是新技術、新方案的應用上，需要開展充分的驗證，盡可能降低和消除潛在風險。