北京時(shí)間2023年2月17日09:37至09:44，搭載“大地3號(hào)”（DAICHI-3）光學(xué)遙感衛(wèi)星的H3/TF1運(yùn)載火箭，將從日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）鹿兒島縣種子島宇宙中心發(fā)射升空，執(zhí)行H3火箭的第一次測(cè)試飛行。H3具有運(yùn)力強(qiáng)大、靈活度高、可靠性高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，是日本航天寄予厚望的新一代大型火箭。

日本航天史上體量最大的運(yùn)載火箭

H3運(yùn)載火箭為JAXA聯(lián)合三菱重工研制的大型運(yùn)載火箭，后者是項(xiàng)目主承包商，采用兩級(jí)或兩級(jí)半構(gòu)型，由芯一級(jí)、芯二級(jí)、整流罩以及芯一級(jí)捆綁的助推器構(gòu)成，芯級(jí)和整流罩直徑均為5.2米，助推器直徑2.5米。該箭芯一級(jí)配備2至3臺(tái)LE-9開(kāi)式膨脹循環(huán)液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)，單臺(tái)真空推力1471千牛（約150噸），真空比沖422秒；芯一級(jí)周身捆綁0、2、4枚不等的SRB-3固體助推器，單枚海平面推力2158千牛（約220噸），真空推力2300千牛（約235噸），真空比沖283.6秒；芯二級(jí)配備LE-5B-3開(kāi)式膨脹循環(huán)液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)，由H2A/B使用的LE-5B-2發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)而來(lái)，真空推力137千牛（約14噸），真空比沖448秒，工作時(shí)間740秒，具備3次點(diǎn)火能力；該箭擁有長(zhǎng)版和短版整流罩可選，其中長(zhǎng)版整流罩長(zhǎng)16.4米，短版整流罩長(zhǎng)約10米。

H3火箭最大構(gòu)型（H3-24L）長(zhǎng)63米，（不含載荷）起飛質(zhì)量575噸，其500千米太陽(yáng)同步軌道（SSO）運(yùn)載能力超過(guò)4噸，地球同步轉(zhuǎn)移軌道（GTO）運(yùn)力7.9噸。在H3之前，日本體量最大的運(yùn)載火箭是H2B火箭，該箭長(zhǎng)56.6米，起飛質(zhì)量531噸，芯一級(jí)直徑5.2米，芯二級(jí)直徑4米，助推器直徑2.5米，整流罩直徑5.1米、長(zhǎng)度15米，GTO運(yùn)力8噸。相較于言，H3長(zhǎng)了6.4米，起飛質(zhì)量大了43噸，GTO運(yùn)力持平，H3火箭是日本航天史上高度最高、體積最大、起飛質(zhì)量最大的運(yùn)載火箭，GTO運(yùn)力也與此前最大的H2B持平。

“鏈體裁衣”，靈活度高！

H3火箭繼承了并發(fā)展了H2A/B火箭的構(gòu)型思路，采用了模塊化、組合化構(gòu)型方式，通過(guò)配備不同數(shù)量一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)、不同數(shù)量固體助推器、不同規(guī)格整流罩形成了豐富的構(gòu)型。

H3火箭具體構(gòu)型用3個(gè)位數(shù)來(lái)表示，其中第一個(gè)位數(shù)表示芯一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的個(gè)數(shù)，有2臺(tái)和3臺(tái)可選；第2個(gè)位數(shù)表示固體助推器的個(gè)數(shù)，有0個(gè)、2個(gè)和4個(gè)可選；第三個(gè)位數(shù)代表整流罩的規(guī)格，其中L和S分別代表長(zhǎng)版和短版整流罩。以即將首飛的H3火箭為例，該火箭為H3-22S構(gòu)型，表示該箭芯一級(jí)配備了2臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)、捆綁2個(gè)固體助推器、使用短版整流罩。

相較于H2A/B火箭，H3火箭在構(gòu)型上拓展了一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量調(diào)節(jié)、增加了無(wú)助推構(gòu)型，讓火箭的運(yùn)力可以下探到更廣闊的區(qū)間，具備更好的靈活性，為不同用戶的需求提供適當(dāng)?shù)陌l(fā)射價(jià)格和運(yùn)力。

另一方面，H3火箭的靈活性還體現(xiàn)在履約周期、發(fā)射場(chǎng)作業(yè)時(shí)間等方面。H3火箭的發(fā)射場(chǎng)作業(yè)天數(shù)減少到H2A的一半，履約時(shí)間（從下單到發(fā)射）也由原來(lái)的2年減為1年，如此能夠更迅速地響應(yīng)客戶的發(fā)射需求。

基于成熟技術(shù)搞創(chuàng)新，可靠性高！

運(yùn)載火箭的研發(fā)都是創(chuàng)新與繼承相結(jié)合，創(chuàng)新能夠使火箭的性能更先進(jìn)，而繼承能夠使火箭擁有成熟技術(shù)的可靠性。

H3火箭大量繼承了來(lái)自H2A/B火箭經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的技術(shù)，這構(gòu)成了該火箭高可靠性的基礎(chǔ)。以發(fā)動(dòng)機(jī)為例，H3使用的SRB-3固體助推器是基于H2A/B火箭的固體助推器SRB-A改進(jìn)而來(lái)，芯二級(jí)使用的LE-5B-3發(fā)動(dòng)機(jī)基于H2A/B使用的LE-5B-2改進(jìn)而來(lái)，SRB-A與LE-5B-2已經(jīng)通過(guò)了大量的發(fā)射子樣驗(yàn)證了它們可靠性。

在過(guò)往發(fā)射中，采用LE-5B作為末級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的火箭曾先后出現(xiàn)過(guò)2次飛行事故，但該發(fā)動(dòng)機(jī)都在預(yù)冷不充分和箱壓不足的不利條件下正常起動(dòng)并穩(wěn)定工作，證明了開(kāi)式膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)具有較高的啟動(dòng)健壯性和工作可靠性，而更高的可靠性和安全性也是開(kāi)式膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)相較于分級(jí)燃燒循環(huán)（閉式）發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)，這也促使H3將芯一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)由H2A/B火箭的LE-7A分級(jí)燃燒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)改為采用開(kāi)式膨脹循環(huán)的LE-9發(fā)動(dòng)機(jī)。

LE-9發(fā)動(dòng)機(jī)基于大推力閉式膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證項(xiàng)目LE-X發(fā)展而來(lái)，繼承了LE-X項(xiàng)目取得的技術(shù)成果，并利用最新的數(shù)字仿真技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)了相較于LE-5B發(fā)動(dòng)機(jī)的3倍燃燒室壓力、10倍推力，通過(guò)極致放大，最終得到了世界上第一種百噸級(jí)開(kāi)式膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)。更安全的循環(huán)方式，加上要素試驗(yàn)和數(shù)值分析等新的開(kāi)發(fā)方法的應(yīng)用，為H3火箭提供了可靠的一級(jí)動(dòng)力LE-9發(fā)動(dòng)機(jī)，其與二級(jí)主動(dòng)力LE-5B-3發(fā)動(dòng)機(jī)及SRB-3固體助推器一道構(gòu)成H3火箭安全可靠的基石。

工業(yè)化開(kāi)發(fā)，成本低！

世界范圍內(nèi)，相對(duì)于一般工業(yè)品，運(yùn)載火箭成本高的主要原因之一在于沒(méi)有進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，無(wú)法通過(guò)真正的規(guī)模效應(yīng)降低成本。H3火箭的研制則做到了向日本基礎(chǔ)工業(yè)“取經(jīng)”，利用日本國(guó)內(nèi)汽車等其他行業(yè)的優(yōu)秀商用貨架產(chǎn)品（commercial-off-the-shelf，COTS）替代太空專用產(chǎn)品，以及將其從按訂單生產(chǎn)（build-to-order）方式改為接近一般工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)線生產(chǎn)，從而有效降低了火箭的生產(chǎn)成本。

另一方面，基于模塊化、通用化思路，H3火箭SRB-3固體助推器與“艾普斯龍”固體運(yùn)載火箭芯一級(jí)實(shí)現(xiàn)了共用，未來(lái)兩型火箭的航天電子設(shè)備和反應(yīng)控制系統(tǒng)等還將實(shí)現(xiàn)共用，通過(guò)共用模塊和火箭單機(jī)、子系統(tǒng)，可以提高生產(chǎn)規(guī)模，最終降低生產(chǎn)成本。此外，H3火箭芯一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)由H2A/B的LE-7A改為L(zhǎng)E-9，實(shí)現(xiàn)了由分級(jí)燃燒循環(huán)（閉式）到開(kāi)式膨脹循環(huán)的轉(zhuǎn)變，由復(fù)雜的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬?duì)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，也實(shí)現(xiàn)了成本的降低。

從零部件到單機(jī)再到分系統(tǒng)，H3在不同層面進(jìn)行了成本控制，目標(biāo)是將單發(fā)成本降至H2A火箭的1/2，其中主要用于近地軌道發(fā)射的無(wú)助推輕型構(gòu)型H3-30S的目標(biāo)價(jià)格是50億日元（當(dāng)前匯率折合人民幣2.63億元）。

H3火箭自2014年開(kāi)始研制，充分繼承了H2A/B火箭的成熟技術(shù)，重新進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)，在發(fā)動(dòng)機(jī)等方面上進(jìn)行了適當(dāng)?shù)募夹g(shù)創(chuàng)新，是日本寄予厚望的新一代大型運(yùn)載火箭。按照規(guī)劃，H3火箭將在滿足國(guó)內(nèi)政府訂單的同時(shí)參與國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，滿足低、中、高軌乃至深空探測(cè)的發(fā)射需求。

目前，H3還處于測(cè)試飛行階段，其GTO運(yùn)力還只與H2B持平，未來(lái)芯二級(jí)可能改用LE-11開(kāi)式膨脹循環(huán)液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)，真空推力約27噸、真空比沖467秒，堪稱有史以來(lái)綜合性能最強(qiáng)的上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，將推動(dòng)H3成為日本歷史上運(yùn)力最強(qiáng)大的運(yùn)載火箭。在未來(lái)20年，日本計(jì)劃利用H3火箭每年執(zhí)行6次左右的發(fā)射，不過(guò)，在目前激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境下，H3火箭的報(bào)價(jià)要獲取國(guó)際訂單還比較難，其主要滿足的將是日本國(guó)內(nèi)的需求。

作者：大白高國(guó)