日本H-2系列火箭重振雄风

□ 东方一剑

2010年5月21日，日本用H-2A火箭把金星探测器和“伊卡洛斯”太阳帆在内的5个航天器一起，发射升空

稳扎稳打的H-2A

前些几年，日本运载火箭屡受挫折。1998年和1999年2次发射H-2火箭失败后，日本的航天计划成了众矢之的。为此，日本决定停止生产H-2火箭，而集中其财力研制成本更低、性能更高的H-2A火箭，寄希望于利用这种新型火箭走出低谷。

H-2A火箭被视为日本的“天之骄子”，因为这一直径4米，全长53米的两级火箭技术十分先进，可用于参与国际卫星发射市场商业竞争。

与H-2相比，H-2A在设计上追求简单和可靠，最大的变化是在由三菱重工制造的液体发动机和固体助推器上。它采用了改进的第一级和第二级发动机、SRB-A大型捆绑固体助推器（2台）及贮箱，以简化设计，降低生产和使用成本。

H-2A的第一级使用1台推力为1100千牛的LE-7A发动机（H-2第一级上的LE-7发动机推力为845千牛）。为了简化生产工艺，降低成本和风险，它更多地采用了铸造和机加工艺，减少了焊接。H-2火箭发动机共有98焊接点，而H-2A的发动机只有8处，这样可提高可靠性和操作性能，因为火箭的发动机是整个火箭的心脏部，最容易发生问题的是焊接部位。

H-2A火箭正在转场

第二级用LE-5B取代了H-2第二级的LE-5A。LE-5B发动机推力为138千牛（LE-5A发动机的推力为117千牛）。另外，其贮箱结构设计也作了改进，由H-2的共底结构整体式液氧/液氢箱改为各自分开的液氧箱和液氢箱，这样能简化生产过程，提高安全性，但缺点是使重量有所增加。

其SRB-A固体火箭助推器采用了从美国引进的整体制造技术，不再分段制造，降低了重量，提高了结构完整性。H-2的SRB固体助推器采用聚丁二烯复合装药，分4段制造，每台的推力为1556千牛。H-2A所用的SRB-A助推器也用复合推进剂，但改用整体制造技术，从而降低了重量和低成本，提高了结构的完整性，简化了发射操作。新助推器的单台推力也提高到了2254千牛。

由于H-2A采用新的LRB液体助推器，所以运载火箭的支承结构方案作了相应改进，由固体助推器支撑芯级方案改进为芯级自身支撑方案。每台LRB助推器使用2台LE-7A发动机。

近100年来，美国制造的起司多半是黄色的美式起司，其中又以切达起司独占鳌头，其生产数量是其他所有美国起司的三倍以上。美国卡夫食品公司将切达起司制成起司片和Velveeta起司，这也是美国典型起司通心粉呈现黄色的原因。

H-2A零部件比H-2减少了约20%，发射费用降到H-2的一半，基本与欧美持平。H-2一味追求100%国产化，而H-2A有许多零部件是从其他国家购买的（如第二级贮箱的一些组件），并更多地采用了商用元器件。H-2火箭整体的设计可靠性为97.4%，H-2A为98.2%。

H-2A火箭的LE-7A第一级发动机

该火箭的基本要求之一是简化发射操作，发射操作所需的人力和时间都要减少到最低程度以降低发射成本。从H-2A运载火箭的部件→组装大楼→运载火箭发射，在发射场的操作时间要少于20天。为了达到H-2A发射操作的计划和质量目标，运载火箭和地面系统通过充分利用自动化检测功能很好地组织成为一个总系统。

H-2A火箭可通过捆绑不同种类和数量的助推器分成5个子型号：①捆绑了2个SRB-A大型固体助推器的202型火箭，其地球同步转移轨道的运载能力为4.1吨；②捆绑了2个SRB-A大型固体助推器和2个SSB小型固体助推器的2022型火箭，其地球同步转移轨道的运载能力为4.5吨；③捆绑了2个SRB-A大型固体助推器和4个SSB小型固体助推器的2024型火箭，其地球同步转移轨道的运载能力为5.5吨；④捆绑了2个SRB-A大型固体助推器和1个LRB液体助推器的222型火箭，其地球同步转移轨道的运载能力为7.5吨；⑤捆绑了2个SRB-A大型固体助推器和2个LRB液体助推器的212型火箭，其地球同步转移轨道的运载能力为9.5吨。此外,没有二子级1024型火箭专门用于发射HOPE-X验证机。

地球同步转移轨道运载能力为4.1吨、4.5吨和5吨的H-2A成本为7700万美元，而地球同步转移轨道运载能力分别为7.5吨和9.5吨的H-2A成本为9500万美元。但是后者可通过一箭多星降低成本，从而赢得用户的青睐。

亡羊补牢为时未晚

不过，H-2A火箭的发展之路并不平坦，因为它曾在5次连续成功之后，于2003年11月29日发射日本第3、4颗照相侦察卫星时，因火箭的固体燃料助推器喷嘴漏气不得不自毁，这是日本H-2A火箭首次发射失败，也是目前的唯一一次失败。

经过一年多的事故调查、研究改进，日本宇宙航空开发机构于2005年2月26日用H-2A火箭把多用途运输卫星-1R送入太空。此后便顺风顺水，至今保持不败，连续成功发射11枚。

在总结失败的教训过程中，不少人认为，主要是日本宇宙开发体制存在死角，项目管理经验不足，生产厂商制造能力低下，难以保证产品质量；技术人员知识结构的欠缺；日本航天机构判断有失误。例如，日本航天业受经验和预算不足制约，而且在预算不足的情况下只追求某一方面的高技术，增大了失败的风险；日本航天管理机构与火箭制造厂家的分工合作与统筹兼顾问题讨论不够充分。

H-2A火箭助推器正在做点火测试

有专家说，日本航天管理机构负担过于集中，超过了该机构的承受能力，这是H-2A火箭发射失败和事故连续不断的原因之一。宇宙航空研究开发机构向多个厂家分别订货、签订合同，由自己把握总体情况，这种做法负担太重。为了提高宇宙开发的可靠程度，有必要由技术能力强、人才众多的三菱公司从开发阶段起就承担起更多任务。此后，H-2A火箭的发射和制造全部移交给三菱重工业公司负责，不再像以往那样由日本航天管理机构主持、众多公司共同参与。日本还成立了由外部专家参加的独立检查机构，以强化日本航天管理机构。尤其是日本把原来的3个航天机构（日本宇宙开发事业团、宇宙科学研究所和国家航空宇宙实验室）合并为宇宙航空研究开发机构，以加强日本航天的统一领导。

为了确保多用途运输卫星-1R发射成功，日本把安全放在了第一位，甚至牺牲了火箭的升空能力，把燃烧压力降低了两成。在2004年没有进行任何发射活动（在欧美，从火箭发射失败到再次发射一般要用200天～300天时间），集中精力对火箭助推器进行了改良和点火试验。专家对其喷嘴形状进行了改进，即开发出改进型固体火箭助推器（SRB-A），并在2004年9月、11月和2005年1月12进行了3次地上点火试验，以检查改进的喷嘴效果。

相关机构也吸取了2003年11月H-2A失败的教训，各个制造厂商之间克服了竞争对手的隔阂，加强了对话交流。在火箭制造方面，除三菱重工外，川崎重工、石川岛播磨重工等多家企业也参与了进来。由于统管这些企业的日本宇宙机构并不具有制造知识和能力，所以，三菱重工向其他厂商派出了技术人员进行指导。三菱重工宇宙机器部部长小林实说：“(我们和他们)在安全防卫等很多领域都是竞争对手。虽然也有互相抵触的反应，但我们之间还是加强了对话交流。”现在，各厂家在火箭的研制能相互保护，即发现技术问题后迅速告知有关厂商，从而避免了同样失误重现的事例。

另外，日本宇宙航空研究开发机构采用量化分析方法来确定火箭和卫星发射的安全性。因为量化分析借助具体数字计算，透明度高，以此为基础制定安全指南将降低火箭发射失误的几率。该机构研究了如何计算每个元件故障几率，以便计算各个元件保障安全发射所需要的“必要可靠度”，以及真正发射时这些元件的“实际可靠度”，把两者进行比较，根据结果制定安全对策；制定出元件数据收集方法等，并在此基础上加入判断失误等人为因素。航天业安全性数据化目前还很少见，通常电子元件的可靠性是在批量生产阶段进行计算的。发射火箭和人造卫星次数很少，利用统计数字计算出可靠性比较难。不过，用数据量化判断安全性的方法如果应用于实际，比以专家经验为基础进行判断更加客观和安全。

俗话说，失败是成功之母。H-2A的第7次发射成功为此后的日本航天开了一个好头。

2010年5月21日，从空中拍摄的H-2A火箭发射时的图片

H-2B闪亮登天

2009年9月11日,日本首枚H-2B火箭把日本首个H-2转移飞行器送上太空，然后与“国际空间站”对接。这是日本继为“国际空间站”建造最大的实验舱希望号之后，对“国际空间站”工程的又一大贡献。在美国航天飞机于2010年退役之后，该飞船将与欧洲空间局的自动转移飞行器 (已于2008年成功发射了第1个）、俄罗斯的进步号货运飞船（已发射多艘）一起成为 “国际空间站”的主要货运工具。

H-2B火箭也由日本宇宙航空研究开发机构和三菱重工业公司联合研发，是以液氧和液氢为推进剂的二级火箭，长约57米。其第一级燃料箱的直径和长度都比H-2A有所增加，装载的燃料为H-2A火箭的1.7倍。另外，该火箭捆绑了4个固体助推器。其运载能力是H-2A火箭的2倍，可把16.5吨的H-2转移飞行器送到“国际空间站”运行轨道（近地点高为200千米、远地点高为300千米、倾角为51°的轨道），也能把约8吨的通信卫星发射到地球同步转移轨道，所以将染指全球商业卫星发射市场。

H-2B火箭矗立在发射台上

H-2B火箭是H-2A火箭的改进加强型，由芯一级、固体火箭助推器、第二级和整流罩4个分系统组成。

芯一级装有2台并联的LE-7A氢氧发动机，使用加长型喷管，长38.2米，直径5.2米，推进剂为液氢/液氧，携带量达175.8吨。它比H-2A的芯一级增加了1台发动机，2台发动机装在芯一级尾段的铝合金制十字梁发动机机架上，还调整2台发动机间距，并在其喷管外壁增加绝热层，以保证LE-7A发动机外壁在被羽流加热时不致过热，减少羽流间的干扰；其直径比H-2A的芯一级增大了1.2米；贮箱长度比H-2A的芯一级增长了1米,并采用摩擦搅拌焊接技术，从而减轻结构质量，连接质量好，可靠性高，不需预处理，成本降低；推进剂携带量比H-2A的芯一级增加了74.8吨；地球同步转移轨道运载能力比H-2A的芯一级增加了近1倍；芯一级2台发动机总推力2196千牛。

H-2B的芯一级捆绑了4枚以端羟基聚丁二烯为燃料的固体火箭助推器（SRB-A改进型），每枚固体火箭助推器长15.2米，直径2.5米，质量77吨，推进剂携带量66吨。4枚固体火箭助推器总推力9140千牛。

该火箭的第二级与H-2A的第二级一样,采用1台LE-5B氢氧发动机，长10.7米，直径4米，推进剂为液氢/液氧，16.6吨。由于此发动机的循环方式由LE-7A的喷管分流膨胀循环变为燃烧室膨胀排放循环，所以推力提高了13%，并具有多次启动能力，使火箭可将多个卫星送入不同轨道，推力为137千牛。

H-2B火箭的整流罩有2种：用于发射H-2转移飞行器的5S-H型整流罩长15.0米，直径5.1米；用于发射卫星的4/4DLC型整流罩长16.0米，直径4.0米；整流罩质量3.2吨。

其航天电子学系统中不仅继续使用这种防止电子仪器短路装置，同时还在芯一级火箭系统中配备了双电子线路，实行火工品和飞行安全线路单独布线，这样能保证系统在空间各自具有独立性，做到即便出现故障也能够将影响限制在最小，确保完成发射任务。

H-2B火箭的液氢储箱。H-2B第一级燃料箱的直径和长度都比H-2A有所增加，装载的燃料为H-2A火箭的1.7倍

H-2转移飞行器和H-2B火箭分离

H-2B火箭在日本种子岛宇宙中心大崎发射区吉信发射场的2号发射台发射，与H-2A共用地面设备和发射场。发射时H-2B火箭的质量约为533吨（不包括有效载荷的质量），所以发射能力大大提高了。用H-2A发射单颗卫星的成本为8800万美元，而用H-2B发射1个H-2转移飞行器或2颗卫星的成本约为1.14亿美元，所以H-2B有较强的市场竞争力，并具有发射载人飞船、行星探测器的潜在能力。据国际上公认的标准，运载火箭推力低于8吨就不足以支持载人航天飞行。

现已确定用H-2B火箭执行的发射任务至少为7次，即2009年～2015年每年至少发射1个H-2转移飞行器，还将用H-2B发射地球静止轨道卫星，包括采用“一箭两星”的发射方式，以降低商业卫星的发射成本，打开新局面。

H-2B火箭的优点是芯级采用性能最好液氢液氧发动机，因此推力大、无毒无污染，但是否能打入国际商业卫星发射市场，还要看其可靠性、发射成本、发射服务等。

H-2A火箭内部结构示意图

H-2B火箭结构示意图