科學研究 - H3火箭2號機發射成功，成爲日本宇宙開發的新王牌

2024年2月17日上午9時22分55秒，新一代大型火箭「H3」的2號機在日本鹿兒島縣種島宇宙中心發射升空，成功將2顆小型衛星送入預定軌道，並按預定計劃分離了相當於大型人造衛星的配重。H3是2001年開始使用的「H2A」火箭的後續機型，但2023年3月H3的1號機發射失敗，之後研究人員對1號機進行了相應的修改，製成了此次的2號機。自本世紀初H2A誕生以來，日本的地球觀測、安全保障、定位和通訊等領域的政府和民間的人造衛星利用取得了長足進展。搭載新引擎、降低發射成本的H3成爲日本宇宙開發利用的新主角。

2月17日鹿兒島縣南種町種島宇宙中心成功發射升空的H3火箭2號機（供圖：JAXA）

「終於呱呱墜地」，笑容滿面的開發負責人打了「滿分」

2號機從該中心的吉信第2發射點發射升空。約5分鐘後，第一級和第二級引擎體分離。此前1號機未能起動的2級引擎經過11分7秒的正常燃燒後，相繼將佳能電子公司的「CE-SAT-IE」人造衛星和宇宙系統開發利用推進機構的「TIRSAT」人造衛星送入了軌道。經過1小時20多分鐘的慣性飛行後，2級引擎再次點火燃燒27秒。在發射升空的1小時48分14秒後，又將配重分離了出來。

宇宙航空研究開發機構（JAXA）的理事長山川宏在記者發佈會上表示：「再沒有比此刻更開心的事情了，也從未有過如此如釋重負的日子。日本朝着保持宇宙活動的自主性和確保國際競爭力方面邁進了一大步。這是非常大的一步。」

JAXA的H3開發負責人、專案經理岡田匡史高興地表示：「H3終於呱呱墜地了。雖然只是今天此時此刻的感受，我感到肩上的重擔終於卸下了。未來才是硬仗，我們要努力確保（日本的航太事業）從太虛擬軌域順利轉換到商業軌道。」當被問及得分時，他自豪地表示：「滿分。」

關於2號機，JAXA事先曾表示其目的是驗證H3火箭的開發狀況，不會明確宣佈發射成功或失敗。從結果來看，2號機飛行順利，所有酬載（人造衛星等裝置）均按計劃運送到位，因此在發佈會上被追問成功與否時，岡田先生回答道：「取得了成功。」

三菱重工業H3專案經理新津真行（左）和JAXA專案經理岡田匡史在記者發佈會上滿面笑容（截圖自線上採訪畫面）

對1號機發射失敗的3種終極因數均採取了對策

H3火箭1號機於去年3月7日發射，但2級引擎未能點火導致發射失敗，搭載的地球觀測人造衛星「大地3號」也因此損毀。發射失敗的終極因數是2級引擎的電氣系統異常。這款時隔22年的新型大型火箭首次亮相就遭遇了挫折，給日本的宇宙開發利用帶來了沉重打擊。

2023年3月7日，H3火箭1號機升空，1級引擎正常工作，但此後……（SciencePortal編輯部腰高直樹拍攝）

JAXA和三菱重工業等對發射失敗的終極因數進行了調查，對發生異常的場景鎖定至3種可能性：（1）發動機點火裝置出現短路；（2）點火裝置通電產生過量電流；（3）接收計算機指令，控制引擎周圍裝置的兩個設備系統中有一個發生了過量電流，殃及另一個故障備用系統。2023年10月，文部科學省的宇宙開發利用委員會公開了上述内容的報告書。報告書還指出，失敗產生背景還包括過於看重使用了多年的裝置，以及缺乏因應措施和應答等。

日本政府和JAXA等認爲，不能等到將終極因數確定到一個的那一天，而應該優先考慮H3的儘早運用。2號機對上述3種可能性全部採取了再發防止措施。具體體現在：（1）加強點火裝置部件的絕緣和檢查；（2）選擇部件使裝載到電晶體上的電壓處於額定範圍内；（3）部件「穩壓二極體」有可能成爲故障終極因數，即使沒有它火箭也不會產生問題，所以將其從電路中刪除。

另外，對於被懷疑是失敗的複數個終極因數，H2A也採取了與H3相同的對策，2023年9月和2024年2月12日H2A連續兩次均發射成功。

實施性能提升和低成本化

H3是H2A和2020年停止使用的強化型「H2B」的後續機型。H3爲2級液體燃料火箭，1、2號機的全長爲57米，不含人造衛星的重量爲422噸。H3的最大負荷承載能力超過了H2B的 6噸，達到6.5噸以上（地球同步轉換軌道，換算爲赤道發射）。由JAXA和三菱重工業合作開發，迄今爲止的開發費用爲2197億日元。

除了新開發的1級引擎外，H3還透過大量使用汽車等民用部件而非航太專用部件來提高效率。H2A基本型的發射費用約爲100億日元，H3的目標是將其減半。H3旨在提高性能和成本降低的兩不誤，除了政府人造衛星外，還可以搭載近年來逐漸大型化的商業人造衛星。還可作爲科學偵檢器、國際太空站（ISS）以及計劃建設的月球軌道基地的物資補注機。

2024年2月17日，種島宇宙中心應答到了CE-SAT-IE人造衛星的成功分離，控制室内研究人員興奮不已（供圖：JAXA）

H3與H2A和小型固體燃料火箭「艾普斯龍（Epsilon）」一道構成了日本的主力火箭陣容。1、2號機由JAXA作爲試驗機發射，將來它將像H2A一樣移交給三菱重工業，並投入商業發射市場。

根據日本政府的宇宙基本計劃進度表，H3計劃在2024年度搭載地球觀測人造衛星「大地4號」、防衛通信衛星、準天頂人造衛星進行3次發射。H2A將在2024年度發射資訊收集人造衛星、溫室氣體與水循環觀測技術人造衛星後退役。

1級引擎作爲研發亮點從1號機時起便獲得「成功」

H3的1號機發射失敗後，作爲終極因數的2級電氣系統一直備受關注，但是回顧H3的開發程序，其最大亮點其實是轉換了設計思路的1級引擎「LE9」。LE9引擎在1號機上也正常運行並取得了「成功」。在1級引擎的設計中首次採用了一直用於2級引擎的日本獨有的「膨脹排氣」燃燒模式。與H2A的1級引擎的「2級燃燒」相比，它略微犧牲了燃料效率，但簡化了結構。

無論哪種燃燒模式，基本原理都是透過泵將液態氫和液態氧燃料加壓送入燃燒室，然後將產生的氣體從噴嘴排出。2級燃燒首先在副燃燒室中燃燒氫氣，然後用氣體驅動泵，再將氣體送入燃燒室，即分爲2階段進行燃燒。這樣雖然不浪費燃料，燃料效率高，但控制起來非常複雜。

而膨脹排氣則首先透過燃燒室的熱量使氫氣體積增大（膨脹），使泵運轉。由於沒有副燃燒室，部件數量減量了20%以上，可以降低成本並提高可靠性。而且估計在出現故障時爆炸的風險非常小。不過，在這一程序中，驅動泵的氫氣不會被送入燃燒室，而是從噴嘴排出（排氣）。這樣做會犧牲3%的燃料效率，但使得控制變得更加容易。

LE9引擎（供圖：三菱重工業）和膨脹排氣的基本工作原理（根據JAXA、三菱重工業的資料和採訪内容製作）

H3的開發始於2014年，當初的目標是2020年實施發射。但就在2020年5月被認爲研發已接近開發尾聲的燃燒試驗中，LE9的燃燒室出現了產生很多小孔等問題，此後又在2022年1月宣佈發現了渦輪機異常振動，發射計劃之後被反復推遲。1級引擎需要克服地面重力使火箭引擎體升空，因此需要與2級引擎相差懸殊的推進力。但值得特別指出的是，雖然1號機的發射失敗了，但LE9出色地完成了工作。

筆者還記得，當時在現場報導1號機發射時，比起發射失敗本身，問題出現在開發要素較少的2級而非1級，曾經讓筆者更感到意外和不解。

受發射失敗的影響，搭載大型人造衛星的計劃被擱置

由於1號機的失敗，日本政府和JAXA對2號機的計劃進行了大半徑調整。

H3的引擎體結構根據1級引擎（LE9）和固體輔助火箭助推器的數量而相應變化。變更前的2號機採用了3臺1級引擎、無助推器的最低配置，計劃搭載地球觀測人造衛星「大地4號」。修改後，改爲與1號機完全相同的2臺1級引擎、2臺助推器。這樣做的終極因數是可以最大限度地利用1號機的飛行資料，並且這種配置可搭載更多類型的人造衛星。

爲了避免發射失敗也不會有效能損失大型人造衛星，2號機放棄了搭載大地4號人造衛星的計劃，而是採用金屬仿製的配重來代替。與此同時，在不影響2號機的目標——驗證H3飛行情況的前提下提供了利用火箭的機會，決定在「發射失敗不補償」的條件下免費搭載2顆小衛星。這2顆小型衛星以及安裝結構件的總重量（約2.6噸）與「大地3號」（約3噸）基本相同。

安裝在2級引擎體頂部的配重（中央的柱狀物）。左下方安裝了小型衛星CE-SAT-IE，右下方安裝了小型衛星TIRSAT。照片攝於2月5日、種島宇宙中心（供圖：JAXA）

在主力火箭方面，艾普斯龍最終型號6號機也於2022年10月發射失敗。此外，2022年7月，正在開發的改進型「艾普斯龍S」2級引擎體在燃燒試驗中發生爆炸。好在這次H3終於取得成功，希望日本主力火箭的開發能夠藉此機會重組旗鼓。

火箭研發一路艱辛，歐美亦如此

阿麗亞娜6示意圖（供圖：阿麗亞娜航太公司）

在大型火箭開發之路上苦苦摸索的，不僅僅是日本。在歐洲，一直以來引領全球商業發射市場的「阿麗亞娜5」已於2023年7月停止使用。然而，原定於2020年首次發射的後續機型「阿麗亞娜6」卻一再推遲，據悉推遲到了2024年夏天。其終極因數是，設計變更和新冠疫情等帶來的影響，導致引擎燃燒試驗等工作耗時增加。

在美國，營運有「阿特拉斯5」等火箭的聯合發射聯盟的「巴爾幹」號火箭也終於在1月8日完成了首次發射。阿特拉斯5的引擎爲俄羅斯製造，但爲了擺脫對俄依賴，在巴爾幹上選擇了由美國藍色起源公司製造的引擎，這也導致了開發時間延長。

對於火箭開發的這些困難，岡田坦言道：「這是製作大規模系統的工作，很難制定時間表。（H3首次發射）推遲的終極因數是LE9的開發，我認爲初期的研究階段應該更加紮實一些。有的問題在最初沒能解決，到了後續階段還是逐漸顯現了出來」。

火箭短缺的全球市場，H3開發是日本的職責

近年來，貫徹低成本的美國Space X公司的「獵鷹9」在市場上嶄露頭角，2017年還實施了1級引擎體的再利用。如今，它已佔據了絕對的市場份額，成爲了「商業火箭之王」。而需要注意的是，以H3爲代表的日本主力火箭，在地位上與「獵鷹9」略有不同。

主力火箭最重要的作用是不依賴外國，而依靠本國的力量發射包括有助於安全保障和防災的人造衛星在内的政府人造衛星、偵檢器、宇宙太空船等。然而，爲了確保火箭存續，就需要頻繁地發射以維持相關產業，僅僅依靠政府的需求是不夠的。進入市場＝商業領域，積極承接商業人造衛星和外國人造衛星等的發射訂單是必不可少的。降低成本的H3開發的重要目的之一，就在於此。

日本大型火箭的發射成功率，H2A和H2B合計約98%，處於世界頂尖水平。除了惡劣天候以外，由於其他終極因數造成的推遲較少，這也成爲了日本的一個有力賣點。H2A迄今已成功發射了韓國、加拿大、阿聯酋（UAE）、英國的人造衛星和偵檢器等，日漸贏得了全球的信賴。如果H3能夠延續這樣的成績，穩紮穩打取得成功極爲重要。

近年來，以將多顆人造衛星聯合起來的「星鏈」計劃爲首，人造衛星的利用取得了飛躍性進展。儘管如此，自2022年2月俄烏戰爭放大以來，此前作爲主流的「聯盟號」「質子號」等俄羅斯火箭無法使用，全球市場的火箭短缺問題愈發嚴重。在迫切需要穩定可靠火箭的情況下，H3在不斷磨鍊技術的同時滿足世界的需求，這是以科技立國爲根本的日本的職責。