【航天】认真科普——日本最新型运载火箭H3首秀还没开始就结束了
近日，日本最新型运载火箭H3迎来首场发射秀，但在发射台喷冷却水烘托完气氛，主发动机冒出红光之后，就没有然后了。日本历史上最粗壮大火箭的首次发射就这样以“发了，又好像没发”的方式结束了，就好像每个月还完花呗的工资。从后来JAXA公布的消息来看，发射中止的原因是主发动机点火后火箭的控制系统检测到了一级火箭的故障信号，因此没有向助推器发出点火信号，所以可以视为是一次因为提前预判到了失败而没有造成失败的发射。被日本国内寄予厚望的H3火箭，在被推迟了两年多之后以这样的方式迎来首秀，对于JAXA上下来说，多少有些意难平，也难怪项目经理冈田会泪洒新闻发布会现场。
在发射直播众多的评论里面，有一条日本网友的评论显得格外人间清醒：“在太空开发中，你从失败中学到的东西比从成功中学到的更多，所以我希望你积极向上。”从上世纪70年代开启本国的宇宙开发计划以来，日本的火箭就走上了一条大目标无比坚定，但小心思不断摇摆的道路。本着看热闹不嫌事大的吃瓜原则，本次和大家聊一聊日本大火箭的发展历程。
日本是蓝星上能用本国火箭发射本国卫星的玩家俱乐部里面的第四个成员，但也是唯一一个进入这个俱乐部后仍然不具备可持续的太空发射能力的国家，因为日本发射首颗卫星“大隅”号的L火箭是一种小型的全固体燃料火箭，完全就没法在此基础上发展大推力运载火箭。成功发射本国第一颗卫星带来的航天热，让日本朝野上下对于发展航天工业技术，带动本国科技发展、提升国家的国际地位这一战略达成了共识。为了能够尽快掌握大推力液体火箭技术，日本再次发动了自己“拿来主义”的传统艺能，通过《日美航天交流协议》从美国照搬“德尔塔”火箭的相关技术，来发展本国的首型液体燃料运载火箭，这就是N系列火箭。而全固体多级火箭方案日本人也没有放弃，在L火箭基础上发展成了后来的M系列火箭。
在由首相办公室直接管辖的空间活动委员会领导下，日本宇宙开发事业团（NASDA）负责航天运载产业化的发展，要在逐步掌握液体火箭技术基础上，建立起完全自主的大推力运载火箭研制和生产体系，并以小步快跑的形式逐步提升运载能力；日本宇宙科学研究所继续发展全固体燃料的多级小火箭，支持本国科研单位的太空科学研究需求。虽然在2003年这两个组织合并成了现在的日本宇宙航空研究开发机构（JAXA），但日本运载火箭的发展战略却依然如故的发展至今，保持了绝对的稳定性，这也是日本火箭运载能力不断稳步提升的基础。
N1，N2，H1，H2，H2A，H2B，H3，日本火箭一路长大
N1火箭几乎是在日本首颗卫星发射成功后就开始了研制，这是一种三级构型的运载火箭，一二级火箭使用液体燃料、三级火箭使用固体燃料，地球同步转移轨道运载能力为250公斤。除了第二级的火箭发动机由日本自研之外，一级和三级都以许可证形式用美国图纸在日本生产，这样操作可以保证日本在技术风险可控的情况下，快速掌握火箭研制技术，铺开产业格局，积累研制经验，获得卫星发射能力。N1火箭在1975年首飞即获得成功，证明了日本航天发展规划的可行性。N2可以视为是N1的加长放大版，进一步提升国产化率的基础上，运载能力也有了提升，N2的国产化率达到了60%，地球同步转移轨道运载能力达到700公斤。但N系列火箭注定只是日本追求火箭技术自主道路上的过客，N1和N2火箭加一起一共只飞了15发，时间跨度却从1975年持续到了1987年，差不多一年只有一飞，倒不是日本人不想多飞，而是美国人发的生产许可证只有那么多，用完就没了，所以日本对于提升火箭技术的国产化率特别在意，迫切想要早日实现“火箭自由”。
具备了研发液体燃料火箭基本能力之后，走哪条技术发展路线就成为了摆在日本航天界面前的首要问题。在当时，这个问题对于日本人来根本就不是问题，日本推进技术委员会几乎一边倒的选择了高性能低温推进系统，换个说法就是液氢液氧推进剂火箭发动机作为首选动力。从齐奥尔科夫斯基发表理想火箭公式起，液氢就被认为是最理想的星际航行燃料，对于志在宇宙开发的日本来说，发展液氢燃料的火箭发动机当然最对自己胃口。另外还有关键的一点，美国在阿波罗计划之后，对于火箭发动机技术的研制已经转向了氢氧发动机，与美国研发步调保持一致，也更利于本国后续火箭技术的发展。所以从N2火箭开始研制起，日本毅然决然的放弃了已经积累了一定研制经验的液氧煤油发动机，转而去研制技术风险更大，更加烧钱的氢氧发动机，只有如此才能彰显日本在航天领域的雄心，也只有如此才能彰显日本重回大国行列的雄心。
1981年，H1火箭的研制正式上马，仍然采用“小步快跑，继承中发展”的迭代研发模式，在前面几代液体火箭发动机的研制中，日本几乎都是在试飞本代火箭的同时就立刻开始下一代火箭的研发，体现了超强的计划性。H1火箭芯级的直径仍与N系列火箭一样保持为2.4米，最大的区别就是二级换成了自研的LE-5氢氧发动机，这是一种中等室压、燃气发生器循环的氢氧发动机，技术指标虽然中规中矩，但却是日本航天工业开始点满氢氧发动机科技树的起点之作。H1火箭的三级更换了更大推力的固体火箭发动机，制导和控制系统也有了很大的升级，全箭国产化率进一步提升到84%，同步转移轨道运载能力进一步提升到1吨的量级。1986年8月13日，H1火箭首秀成功，完成了日本航天史上首次一箭双星发射，大大提振了整个日本航天工业的信心。
从外形上来看，H1就是N2的加长版，也许叫做N3更合适
H1火箭从1986年一直飞到了1991年，但原计划要在1992年接棒的H2火箭却因为LE-7氢氧发动机的难产而一直拖延到1994年才迎来首飞，这型氢氧发动机采用了分级燃烧循环方案，采用相同设计方案的只有当时还在服役的航天飞机的主发动机，堪称可以直接对标当时世界上最先进水平，推力水平也要高于欧空局同时代同类产品。H2火箭采用二级构型，一级使用LE-7发动机搭配固体助推器，二级保持LE-5不变，芯级直径增加到4米，运力再次实现翻倍，国产化率为100%，是日本真正的“国货之光”。为了实现全部国造，日本在H2火箭研发上烧掉了25亿美元。这可是上世纪80年代的25亿美元，这个钱有多值钱呢，这么说吧，1985年，我国的外汇储备是26.44亿美元。如此不计成本的烧钱，按照日本当时公布的目标就是：最大可靠性和最小发射成本。
但是理想与现实之间的鸿沟终于还是过大了。实际情况是日本国内的航天市场根本就支撑不起H2这个运力的运载火箭的发射任务，即使H2能满足的发射任务需求再多样化，支持一箭多星的凑单，国内发射任务也差不多还是一年一发的发射量。既然国内支持不了，那只能尝试去国际市场接单，但由于氢氧发动机昂贵的使用和发射成本以及追求全国产化的执念作祟，H2的单次发射成本高达1.5亿美元，这个发射费用比当时欧美的平均发射费用高50%，是俄罗斯发射费用的2倍。如此高的发射费用加上个位数的发射样本，让原计划要去国际发射市场竞争的H2只能成为看客。好巧不巧，1998年和1999年，H2火箭在5次成功发射记录后，迎来了两连败，发射成功率一下从100%降到了71%，这下连高可靠性的“人设”也打破了，变成了“最低可靠性和最高发射成本”。
痛定思痛下，日本政府叫停了H2的后续生产任务，转而发展其改进型H2A火箭，H2A不再执念于国产化，转而追求降本增效，在保持H2大方案不变的前提条件下，一边继续点氢氧发动机的科技树，一边改进设计。H2A的零件数减少了20%，很多组件直接采购欧美成熟产品或者从航天级降级为民用级，通过高自动化减少人力成本，缩短准备和发射周期，从火箭进场到发射整个准备周期缩短为20天，使发射成本终于降到了与欧美国家相当的水平。氢氧发动机方面，H2A的一级发动机LE-7A在原方案基础上进行了大幅改进，焊缝从98处减少为8处，使可靠性和重量指标都得到了优化，二级发动机LE-5B也从喷管部分膨胀循环升级到了燃烧室部分膨胀循环，在保持比冲不变的情况下，推力有所提升。H2A还引入了模块化搭配理念，可以根据发射任务需求，灵活搭配不同数量的大、小固体助推器和液体助推器，也可以增加第三级。H2A从2001年首飞开始至今已完成了40多次发射任务，终于在发射成本与可靠性上达成了一个比较好的平衡，成为了日本航天的金字名片，还发展出了重型的H2B火箭。
2021年10月26日，在种子岛发射中心，H2A火箭将本国的“准天顶”卫星发射升空
H3作为H2系列火箭的续作，更像是H2B的放大版，芯级直径达到5米，一步跨入了大型火箭行列。一级氢氧发动机升级为了推力更大的LE-9，采用与LE-5B相同的膨胀循环技术，是史上推力最大的膨胀循环氢氧发动机，首开世界范围一级主发动机使用这种循环的先河，在氢氧发动机领域，日本算是把能点的技能点都点满了。因为LE-9的研制问题，H3的首飞从2020年一路拖延到了2023年年初，这次的发射中止将再次使首秀后延。虽然单项技术指标看起来都在一线水准，但H3的综合运力并不突出，其地球同步转移轨道运载能力在6吨上下，只与我国上一代的长3B相当。坚定的一条路跑到黑的日本运载火箭，似乎把路越走越窄了。
扒完了日本大推力运载火箭50多年的发展历程，我们可以看出，日本火箭遭遇的发展困境更多的来自于体质与决策的原始性缺陷，小步快跑的迭代发展模式固然值得借鉴，但死守氢氧发动机一条道跑到黑的技术发展路径，是与日本本国太空发射市场的规模以及全球太空发射市场的发展趋势相背离的，这才是造成如今日本火箭技术越先进，运输能力越差，市场越小的根本原因。路走错了不要紧，及时回到正途为时未晚，但到目前为止仍然没有看到日本火箭技术转向的任何迹象。
有道是条条大路通罗马，万一也能走通呢？
来源 | 中国航天科工三院31所
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