日本H-2系列火箭重振雄風

□ 東方一劍

2010年5月21日，日本用H-2A火箭把金星探測器和“伊卡洛斯”太陽帆在內的5個航天器一起，發射升空

穩扎穩打的H-2A

前些幾年，日本運載火箭屢受挫折。1998年和1999年2次發射H-2火箭失敗后，日本的航天計劃成了眾矢之的。為此，日本決定停止生產H-2火箭，而集中其財力研制成本更低、性能更高的H-2A火箭，寄希望于利用這種新型火箭走出低谷。

H-2A火箭被視為日本的“天之驕子”，因為這一直徑4米，全長53米的兩級火箭技術十分先進，可用于參與國際衛星發射市場商業競爭。

與H-2相比，H-2A在設計上追求簡單和可靠，最大的變化是在由三菱重工制造的液體發動機和固體助推器上。它采用了改進的第一級和第二級發動機、SRB-A大型捆綁固體助推器（2臺）及貯箱，以簡化設計，降低生產和使用成本。

H-2A的第一級使用1臺推力為1100千牛的LE-7A發動機（H-2第一級上的LE-7發動機推力為845千牛）。為了簡化生產工藝，降低成本和風險，它更多地采用了鑄造和機加工藝，減少了焊接。H-2火箭發動機共有98焊接點，而H-2A的發動機只有8處，這樣可提高可靠性和操作性能，因為火箭的發動機是整個火箭的心臟部，最容易發生問題的是焊接部位。

H-2A火箭正在轉場

第二級用LE-5B取代了H-2第二級的LE-5A。LE-5B發動機推力為138千牛（LE-5A發動機的推力為117千牛）。另外，其貯箱結構設計也作了改進，由H-2的共底結構整體式液氧/液氫箱改為各自分開的液氧箱和液氫箱，這樣能簡化生產過程，提高安全性，但缺點是使重量有所增加。

其SRB-A固體火箭助推器采用了從美國引進的整體制造技術，不再分段制造，降低了重量，提高了結構完整性。H-2的SRB固體助推器采用聚丁二烯復合裝藥，分4段制造，每臺的推力為1556千牛。H-2A所用的SRB-A助推器也用復合推進劑，但改用整體制造技術，從而降低了重量和低成本，提高了結構的完整性，簡化了發射操作。新助推器的單臺推力也提高到了2254千牛。

由于H-2A采用新的LRB液體助推器，所以運載火箭的支承結構方案作了相應改進，由固體助推器支撐芯級方案改進為芯級自身支撐方案。每臺LRB助推器使用2臺LE-7A發動機。

近100年來，美國制造的起司多半是黃色的美式起司，其中又以切達起司獨占鰲頭，其生產數量是其他所有美國起司的三倍以上。美國卡夫食品公司將切達起司制成起司片和Velveeta起司，這也是美國典型起司通心粉呈現黃色的原因。

H-2A零部件比H-2減少了約20%，發射費用降到H-2的一半，基本與歐美持平。H-2一味追求100%國產化，而H-2A有許多零部件是從其他國家購買的（如第二級貯箱的一些組件），并更多地采用了商用元器件。H-2火箭整體的設計可靠性為97.4%，H-2A為98.2%。

H-2A火箭的LE-7A第一級發動機

該火箭的基本要求之一是簡化發射操作，發射操作所需的人力和時間都要減少到最低程度以降低發射成本。從H-2A運載火箭的部件→組裝大樓→運載火箭發射，在發射場的操作時間要少于20天。為了達到H-2A發射操作的計劃和質量目標，運載火箭和地面系統通過充分利用自動化檢測功能很好地組織成為一個總系統。

H-2A火箭可通過捆綁不同種類和數量的助推器分成5個子型號：①捆綁了2個SRB-A大型固體助推器的202型火箭，其地球同步轉移軌道的運載能力為4.1噸；②捆綁了2個SRB-A大型固體助推器和2個SSB小型固體助推器的2022型火箭，其地球同步轉移軌道的運載能力為4.5噸；③捆綁了2個SRB-A大型固體助推器和4個SSB小型固體助推器的2024型火箭，其地球同步轉移軌道的運載能力為5.5噸；④捆綁了2個SRB-A大型固體助推器和1個LRB液體助推器的222型火箭，其地球同步轉移軌道的運載能力為7.5噸；⑤捆綁了2個SRB-A大型固體助推器和2個LRB液體助推器的212型火箭，其地球同步轉移軌道的運載能力為9.5噸。此外,沒有二子級1024型火箭專門用于發射HOPE-X驗證機。

地球同步轉移軌道運載能力為4.1噸、4.5噸和5噸的H-2A成本為7700萬美元，而地球同步轉移軌道運載能力分別為7.5噸和9.5噸的H-2A成本為9500萬美元。但是后者可通過一箭多星降低成本，從而贏得用戶的青睞。

亡羊補牢為時未晚

不過，H-2A火箭的發展之路并不平坦，因為它曾在5次連續成功之后，于2003年11月29日發射日本第3、4顆照相偵察衛星時，因火箭的固體燃料助推器噴嘴漏氣不得不自毀，這是日本H-2A火箭首次發射失敗，也是目前的唯一一次失敗。

經過一年多的事故調查、研究改進，日本宇宙航空開發機構于2005年2月26日用H-2A火箭把多用途運輸衛星-1R送入太空。此后便順風順水，至今保持不敗，連續成功發射11枚。

在總結失敗的教訓過程中，不少人認為，主要是日本宇宙開發體制存在死角，項目管理經驗不足，生產廠商制造能力低下，難以保證產品質量；技術人員知識結構的欠缺；日本航天機構判斷有失誤。例如，日本航天業受經驗和預算不足制約，而且在預算不足的情況下只追求某一方面的高技術，增大了失敗的風險；日本航天管理機構與火箭制造廠家的分工合作與統籌兼顧問題討論不夠充分。

H-2A火箭助推器正在做點火測試

有專家說，日本航天管理機構負擔過于集中，超過了該機構的承受能力，這是H-2A火箭發射失敗和事故連續不斷的原因之一。宇宙航空研究開發機構向多個廠家分別訂貨、簽訂合同，由自己把握總體情況，這種做法負擔太重。為了提高宇宙開發的可靠程度，有必要由技術能力強、人才眾多的三菱公司從開發階段起就承擔起更多任務。此后，H-2A火箭的發射和制造全部移交給三菱重工業公司負責，不再像以往那樣由日本航天管理機構主持、眾多公司共同參與。日本還成立了由外部專家參加的獨立檢查機構，以強化日本航天管理機構。尤其是日本把原來的3個航天機構（日本宇宙開發事業團、宇宙科學研究所和國家航空宇宙實驗室）合并為宇宙航空研究開發機構，以加強日本航天的統一領導。

為了確保多用途運輸衛星-1R發射成功，日本把安全放在了第一位，甚至犧牲了火箭的升空能力，把燃燒壓力降低了兩成。在2004年沒有進行任何發射活動（在歐美，從火箭發射失敗到再次發射一般要用200天～300天時間），集中精力對火箭助推器進行了改良和點火試驗。專家對其噴嘴形狀進行了改進，即開發出改進型固體火箭助推器（SRB-A），并在2004年9月、11月和2005年1月12進行了3次地上點火試驗，以檢查改進的噴嘴效果。

相關機構也吸取了2003年11月H-2A失敗的教訓，各個制造廠商之間克服了競爭對手的隔閡，加強了對話交流。在火箭制造方面，除三菱重工外，川崎重工、石川島播磨重工等多家企業也參與了進來。由于統管這些企業的日本宇宙機構并不具有制造知識和能力，所以，三菱重工向其他廠商派出了技術人員進行指導。三菱重工宇宙機器部部長小林實說：“(我們和他們)在安全防衛等很多領域都是競爭對手。雖然也有互相抵觸的反應，但我們之間還是加強了對話交流?！爆F在，各廠家在火箭的研制能相互保護，即發現技術問題后迅速告知有關廠商，從而避免了同樣失誤重現的事例。

另外，日本宇宙航空研究開發機構采用量化分析方法來確定火箭和衛星發射的安全性。因為量化分析借助具體數字計算，透明度高，以此為基礎制定安全指南將降低火箭發射失誤的幾率。該機構研究了如何計算每個元件故障幾率，以便計算各個元件保障安全發射所需要的“必要可靠度”，以及真正發射時這些元件的“實際可靠度”，把兩者進行比較，根據結果制定安全對策；制定出元件數據收集方法等，并在此基礎上加入判斷失誤等人為因素。航天業安全性數據化目前還很少見，通常電子元件的可靠性是在批量生產階段進行計算的。發射火箭和人造衛星次數很少，利用統計數字計算出可靠性比較難。不過，用數據量化判斷安全性的方法如果應用于實際，比以專家經驗為基礎進行判斷更加客觀和安全。

俗話說，失敗是成功之母。H-2A的第7次發射成功為此后的日本航天開了一個好頭。

2010年5月21日，從空中拍攝的H-2A火箭發射時的圖片

H-2B閃亮登天

2009年9月11日,日本首枚H-2B火箭把日本首個H-2轉移飛行器送上太空，然后與“國際空間站”對接。這是日本繼為“國際空間站”建造最大的實驗艙希望號之后，對“國際空間站”工程的又一大貢獻。在美國航天飛機于2010年退役之后，該飛船將與歐洲空間局的自動轉移飛行器 (已于2008年成功發射了第1個）、俄羅斯的進步號貨運飛船（已發射多艘）一起成為 “國際空間站”的主要貨運工具。

H-2B火箭也由日本宇宙航空研究開發機構和三菱重工業公司聯合研發，是以液氧和液氫為推進劑的二級火箭，長約57米。其第一級燃料箱的直徑和長度都比H-2A有所增加，裝載的燃料為H-2A火箭的1.7倍。另外，該火箭捆綁了4個固體助推器。其運載能力是H-2A火箭的2倍，可把16.5噸的H-2轉移飛行器送到“國際空間站”運行軌道（近地點高為200千米、遠地點高為300千米、傾角為51°的軌道），也能把約8噸的通信衛星發射到地球同步轉移軌道，所以將染指全球商業衛星發射市場。

H-2B火箭矗立在發射臺上

H-2B火箭是H-2A火箭的改進加強型，由芯一級、固體火箭助推器、第二級和整流罩4個分系統組成。

芯一級裝有2臺并聯的LE-7A氫氧發動機，使用加長型噴管，長38.2米，直徑5.2米，推進劑為液氫/液氧，攜帶量達175.8噸。它比H-2A的芯一級增加了1臺發動機，2臺發動機裝在芯一級尾段的鋁合金制十字梁發動機機架上，還調整2臺發動機間距，并在其噴管外壁增加絕熱層，以保證LE-7A發動機外壁在被羽流加熱時不致過熱，減少羽流間的干擾；其直徑比H-2A的芯一級增大了1.2米；貯箱長度比H-2A的芯一級增長了1米,并采用摩擦攪拌焊接技術，從而減輕結構質量，連接質量好，可靠性高，不需預處理，成本降低；推進劑攜帶量比H-2A的芯一級增加了74.8噸；地球同步轉移軌道運載能力比H-2A的芯一級增加了近1倍；芯一級2臺發動機總推力2196千牛。

H-2B的芯一級捆綁了4枚以端羥基聚丁二烯為燃料的固體火箭助推器（SRB-A改進型），每枚固體火箭助推器長15.2米，直徑2.5米，質量77噸，推進劑攜帶量66噸。4枚固體火箭助推器總推力9140千牛。

該火箭的第二級與H-2A的第二級一樣,采用1臺LE-5B氫氧發動機，長10.7米，直徑4米，推進劑為液氫/液氧，16.6噸。由于此發動機的循環方式由LE-7A的噴管分流膨脹循環變為燃燒室膨脹排放循環，所以推力提高了13%，并具有多次啟動能力，使火箭可將多個衛星送入不同軌道，推力為137千牛。

H-2B火箭的整流罩有2種：用于發射H-2轉移飛行器的5S-H型整流罩長15.0米，直徑5.1米；用于發射衛星的4/4DLC型整流罩長16.0米，直徑4.0米；整流罩質量3.2噸。

其航天電子學系統中不僅繼續使用這種防止電子儀器短路裝置，同時還在芯一級火箭系統中配備了雙電子線路，實行火工品和飛行安全線路單獨布線，這樣能保證系統在空間各自具有獨立性，做到即便出現故障也能夠將影響限制在最小，確保完成發射任務。

H-2B火箭的液氫儲箱。H-2B第一級燃料箱的直徑和長度都比H-2A有所增加，裝載的燃料為H-2A火箭的1.7倍

H-2轉移飛行器和H-2B火箭分離

H-2B火箭在日本種子島宇宙中心大崎發射區吉信發射場的2號發射臺發射，與H-2A共用地面設備和發射場。發射時H-2B火箭的質量約為533噸（不包括有效載荷的質量），所以發射能力大大提高了。用H-2A發射單顆衛星的成本為8800萬美元，而用H-2B發射1個H-2轉移飛行器或2顆衛星的成本約為1.14億美元，所以H-2B有較強的市場競爭力，并具有發射載人飛船、行星探測器的潛在能力。據國際上公認的標準，運載火箭推力低于8噸就不足以支持載人航天飛行。

現已確定用H-2B火箭執行的發射任務至少為7次，即2009年～2015年每年至少發射1個H-2轉移飛行器，還將用H-2B發射地球靜止軌道衛星，包括采用“一箭兩星”的發射方式，以降低商業衛星的發射成本，打開新局面。

H-2B火箭的優點是芯級采用性能最好液氫液氧發動機，因此推力大、無毒無污染，但是否能打入國際商業衛星發射市場，還要看其可靠性、發射成本、發射服務等。

H-2A火箭內部結構示意圖

H-2B火箭結構示意圖