H-3成功复飞,日本火箭仍面临挑战
2月17日，日本H-3火箭成功复飞，将配重和两颗小卫星送入太阳同步轨道。H-3火箭应用了哪些新技术？在当前国际火箭技术发展和市场竞争的形势下，它面临着怎样的挑战和前景？作为应对，日本规划的下一代火箭项目情况如何呢？引入创新
降本增效
作为日本新一代大型火箭，H-3火箭的主要目标是降低综合成本，实现更高频次发射。为此，H-3火箭大量集成了民用电子元器件和相对廉价的材料，配备了全新的5.2米直径整流罩和二子级，又取消了助推器上的推力矢量控制装置，希望降低系统复杂性和成本。按设计，H-3火箭有望兼顾灵活性、高可靠性和低价格等优势，满足用户需求，延续日本运载火箭技术发展。
H-3火箭成功复飞
提到H-3火箭最鲜明的创新之处，当属芯一级应用的LE-9开式膨胀循环氢氧发动机，取代了H-2A/B系列火箭上更加昂贵的LE-7A分级燃烧氢氧发动机。所谓“开式膨胀循环”，原理是将流过推力室的冷却液氢进行加热，促使其膨胀并推动涡轮做功，随后将其直接送入废气管排出。这样一来，发动机摆脱了推力室换热面积、液氢气化膨胀能力等限制，在增加换热流量的前提下，推力可以显著增大。特别是LE-9发动机采用了长推力室，可以进一步增加换热面积。同时，膨胀循环模式下，涡轮温度较低，有利于发动机可靠性提升。为了进一步降低成本，LE-9发动机还要使用3D打印制造的阀门、管路及复合材料喷注器。
H-3火箭的构型规划仍然延续了模块化思路。在芯一级捆绑2个或4个固体助推器时，配置2台LE-9发动机，火箭起飞质量分别为421吨和572吨。如果不捆绑助推器，芯一级需要配置3台LE-9发动机，火箭起飞质量为271吨。不同构型的火箭可以按需求选择不同尺寸的整流罩。
为了尽量统一芯一级的技术状态，H-3火箭使用能够兼容3台和2台LE-9发动机的机架。但是，不同配置下发动机流量差异较大，管路尺寸不一，这种设计增大了火箭的死重。
众所周知，火箭从不同发射场起飞，经过不同倾角的同步转移轨道，最终进入地球静止轨道，所需的速度增量不同，火箭的运载能力也不同。H-3火箭从日本种子岛航天中心发射，二子级在滑行6小时后会进行第三次点火，进入特殊设计的同步转移轨道，在理论上能够低价争夺地球静止轨道卫星发射服务，不必修改卫星设计，从而提高竞争力。
据公开资料显示，配备大型整流罩和4个助推器后，H-3火箭对于这条特殊轨道的运力为6.5～6.7吨；配备大型整流罩和2个助推器后，该轨道运力为4.4吨；配备小型整流罩、三发构型芯一级且无助推器起飞时，该轨道运力为1.8吨，500公里太阳同步轨道运力达4吨。
2015年，日本航天自信地预测，H-3火箭采用小型整流罩、三发构型芯一级且无助推器起飞，成本不超过50亿日元，折合仅有3300多万美元；到2026年，H-3火箭每年有望发射8～10次，2030年前后可以尝试每年发射16次。
研发不顺
挑战不断
日本航天认为H-3火箭具备低成本优势，很大程度上寄希望于真空推力达150吨的LE-9发动机。不料动力系统研发不顺，基本上宣告H-3火箭的“如意算盘”落空。
H-3火箭不同构型示意图
首先，日本航天对自家的动力模拟研发技术过于自信，原计划LE-9发动机仅试车2500秒后就能推动H-3火箭首飞，而这个时长仅是世界主流火箭芯一级氢氧发动机类似研发阶段的1/10。
事实上，LE-9发动机较长的推力室加剧了燃烧不稳定，造成了2020～2021年间多次试验故障。试验中，发动机共振现象严重，导致推力室冷却通道变形、涡轮叶片疲劳裂纹恶化、涡轮泵颤振飞车等。为了提高发动机可靠性，3D打印制造的复合材料喷注器被迫换成了常规工艺制造的金属喷注器。
直到2023年H-3火箭首飞前，LE-9发动机试车时间约为12000秒，最长一次测试时间为300秒左右，与捆绑2枚助推器的H-3火箭芯一级飞行时间近似。也就是说，在H-3火箭首飞前，该发动机能否可靠地完成任务仍然存疑。幸运的是，在H-3火箭失败的首飞中，LE-9发动机表现良好，处于“状态1”。
至于成功复飞的H-3火箭使用的LE-9发动机，一台仍处于“状态1”，另一台处于“状态1A”，其校准和验收试车直到2023年12月才完成。所谓“状态1A”，主要是将LE-9在“状态1”阶段的燃烧室冷却临时改进措施进行定型，并改善氧泵入口液流的一致性。
今年上半年，LE-9发动机预计还要进行4次试车，重新换用3D打印制造的喷注器，并进一步提高氢泵的效率，同时依据H-3火箭复飞数据实施改进，最终状态就是可以用于三发构型芯一级的“状态2”。届时，LE-9发动机将推动H-3火箭执行第三次飞行任务，这也是H-3火箭首次正式业务飞行。
进入业务飞行阶段后，H-3火箭将面临更复杂的挑战。一方面，它将发射日本合成孔径雷达遥感卫星、军用通信卫星等重要载荷，加速天基军情设施组网部署。未来，H-3火箭还可能推出并联三发构型芯一级的增强型号，争取将地球同步转移轨道运载能力从不足8吨提升到14.8吨。另一方面，H-3火箭有望在2026年执行深空探测任务，助力探测器从火卫一采样返回地球。另外，H-3火箭将向绕月空间站发射大型货运飞船，换取美国对日本航天员登月的支持。
廉价不再
瞄准复用
H-3火箭原计划以较低成本和特殊设计轨道来争夺国际航天发射市场，如果在约10年前服役，那么可以称得上前景光明。遗憾的是，H-3火箭研发进度拖沓，而国际航天发射市场竞争格局已出现了翻天覆地的变化。
H-3火箭计划于2026年发射火卫一采样返回任务
在性价比方面，H-3火箭完全无法与猎鹰9火箭等可回收复用型号竞争。马斯克宣称，猎鹰9火箭的重复使用“边际成本”仅为1500万美元，在第一级回收模式下，可以将9吨载荷送入500公里太阳同步轨道。相比之下，按日本航天2015年规划，H-3火箭使用三发构型芯一级且无助推器起飞时，成本超过3300万美元，相同轨道运力为4吨。更何况H-3火箭经历任务拖期、排故试验、通胀加剧后，成本上涨在所难免。况且，氢氧推进剂芯一级存在操作复杂、液氢成本高昂等缺陷，导致日本很难快速大量生产H-3火箭来降低成本。
在市场方面，传统的地球静止轨道卫星需求难料，发射订单很可能逐渐减少，用户更倾向于选择本国火箭或经过充分验证的“金牌”火箭。新服役的H-3火箭在研发过程中暴露不足，而日本同类卫星的发射需求不多，之前也较少履行国外订单，未必能赢得国际用户信任，拓展市场份额注定艰难。
面对可回收复用火箭发展潮流，日本航天制定了H-3火箭未来发展规划，第一步是研制更大的二子级以提升运力，第二步是“基于H-3火箭”研制可回收复用火箭。根据日本论文效果图，H-3火箭的三发构型芯一级将增加着陆装置，依靠单台LE-9发动机实现平稳降落。不过，单台LE-9发动机的变推力远远大于三发构型芯一级的质量，而且偏离质心，必然会增大着陆风险，何况LE-9发动机改为复用也有不少困难。
可以说，H-3火箭的构型完全不适合回收复用。而且，H-3火箭的一二级间比为1：9，一级干质比较低，预计复用模式下运力损失会较大，效益也未必划算。
日本宇宙航空研究开发机构已提出了下一代运载火箭发展计划，目标是在21世纪30年代前期投入使用。计划要求，新火箭基本型选择两级“光杆”构型，一次性模式下近地轨道运力为20吨，复用模式下运力为15吨；如果火箭并联3枚芯一级，一次性模式下近地轨道运力为54吨，复用模式下运力为28吨。该火箭目前处于早期设计阶段，招标的发动机推力指标为100吨，推进剂候选组合包括液氧甲烷、液氢液氧等。
总之，H-3火箭成功复飞，对日本航天而言可喜可贺，但似乎有些“生不逢时”。想要实现最初目标，日本航天仍需付出更多努力。
文/张晨编辑/高辰审核/杨建 杨蕾监制/索阿娣
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