日本H-2系列火箭重振雄風(fēng)

□ 東方一劍

2010年5月21日，日本用H-2A火箭把金星探測(cè)器和“伊卡洛斯”太陽(yáng)帆在內(nèi)的5個(gè)航天器一起，發(fā)射升空

穩(wěn)扎穩(wěn)打的H-2A

前些幾年，日本運(yùn)載火箭屢受挫折。1998年和1999年2次發(fā)射H-2火箭失敗后，日本的航天計(jì)劃成了眾矢之的。為此，日本決定停止生產(chǎn)H-2火箭，而集中其財(cái)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?yàn)檫@一直徑4米，全長(zhǎng)53米的兩級(jí)火箭技術(shù)十分先進(jìn)，可用于參與國(guó)際衛(wèi)星發(fā)射市場(chǎng)商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)。

與H-2相比，H-2A在設(shè)計(jì)上追求簡(jiǎn)單和可靠，最大的變化是在由三菱重工制造的液體發(fā)動(dòng)機(jī)和固體助推器上。它采用了改進(jìn)的第一級(jí)和第二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)、SRB-A大型捆綁固體助推器（2臺(tái)）及貯箱，以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，降低生產(chǎn)和使用成本。

H-2A的第一級(jí)使用1臺(tái)推力為1100千牛的LE-7A發(fā)動(dòng)機(jī)（H-2第一級(jí)上的LE-7發(fā)動(dòng)機(jī)推力為845千牛）。為了簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝，降低成本和風(fēng)險(xiǎn)，它更多地采用了鑄造和機(jī)加工藝，減少了焊接。H-2火箭發(fā)動(dòng)機(jī)共有98焊接點(diǎn)，而H-2A的發(fā)動(dòng)機(jī)只有8處，這樣可提高可靠性和操作性能，因?yàn)榛鸺陌l(fā)動(dòng)機(jī)是整個(gè)火箭的心臟部，最容易發(fā)生問(wèn)題的是焊接部位。

H-2A火箭正在轉(zhuǎn)場(chǎng)

第二級(jí)用LE-5B取代了H-2第二級(jí)的LE-5A。LE-5B發(fā)動(dòng)機(jī)推力為138千牛（LE-5A發(fā)動(dòng)機(jī)的推力為117千牛）。另外，其貯箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也作了改進(jìn)，由H-2的共底結(jié)構(gòu)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(jiǎn)化生產(chǎn)過(guò)程，提高安全性，但缺點(diǎn)是使重量有所增加。

其SRB-A固體火箭助推器采用了從美國(guó)引進(jìn)的整體制造技術(shù)，不再分段制造，降低了重量，提高了結(jié)構(gòu)完整性。H-2的SRB固體助推器采用聚丁二烯復(fù)合裝藥，分4段制造，每臺(tái)的推力為1556千牛。H-2A所用的SRB-A助推器也用復(fù)合推進(jìn)劑，但改用整體制造技術(shù)，從而降低了重量和低成本，提高了結(jié)構(gòu)的完整性，簡(jiǎn)化了發(fā)射操作。新助推器的單臺(tái)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(yùn)載火箭的支承結(jié)構(gòu)方案作了相應(yīng)改進(jìn)，由固體助推器支撐芯級(jí)方案改進(jìn)為芯級(jí)自身支撐方案。每臺(tái)LRB助推器使用2臺(tái)LE-7A發(fā)動(dòng)機(jī)。

近100年來(lái)，美國(guó)制造的起司多半是黃色的美式起司，其中又以切達(dá)起司獨(dú)占鰲頭，其生產(chǎn)數(shù)量是其他所有美國(guó)起司的三倍以上。美國(guó)卡夫食品公司將切達(dá)起司制成起司片和Velveeta起司，這也是美國(guó)典型起司通心粉呈現(xiàn)黃色的原因。

H-2A零部件比H-2減少了約20%，發(fā)射費(fèi)用降到H-2的一半，基本與歐美持平。H-2一味追求100%國(guó)產(chǎn)化，而H-2A有許多零部件是從其他國(guó)家購(gòu)買的（如第二級(jí)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(shè)計(jì)可靠性為97.4%，H-2A為98.2%。

H-2A火箭的LE-7A第一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)

該火箭的基本要求之一是簡(jiǎn)化發(fā)射操作，發(fā)射操作所需的人力和時(shí)間都要減少到最低程度以降低發(fā)射成本。從H-2A運(yùn)載火箭的部件→組裝大樓→運(yùn)載火箭發(fā)射，在發(fā)射場(chǎng)的操作時(shí)間要少于20天。為了達(dá)到H-2A發(fā)射操作的計(jì)劃和質(zhì)量目標(biāo)，運(yùn)載火箭和地面系統(tǒng)通過(guò)充分利用自動(dòng)化檢測(cè)功能很好地組織成為一個(gè)總系統(tǒng)。

H-2A火箭可通過(guò)捆綁不同種類和數(shù)量的助推器分成5個(gè)子型號(hào)：①捆綁了2個(gè)SRB-A大型固體助推器的202型火箭，其地球同步轉(zhuǎn)移軌道的運(yùn)載能力為4.1噸；②捆綁了2個(gè)SRB-A大型固體助推器和2個(gè)SSB小型固體助推器的2022型火箭，其地球同步轉(zhuǎn)移軌道的運(yùn)載能力為4.5噸；③捆綁了2個(gè)SRB-A大型固體助推器和4個(gè)SSB小型固體助推器的2024型火箭，其地球同步轉(zhuǎn)移軌道的運(yùn)載能力為5.5噸；④捆綁了2個(gè)SRB-A大型固體助推器和1個(gè)LRB液體助推器的222型火箭，其地球同步轉(zhuǎn)移軌道的運(yùn)載能力為7.5噸；⑤捆綁了2個(gè)SRB-A大型固體助推器和2個(gè)LRB液體助推器的212型火箭，其地球同步轉(zhuǎn)移軌道的運(yùn)載能力為9.5噸。此外,沒(méi)有二子級(jí)1024型火箭專門用于發(fā)射HOPE-X驗(yàn)證機(jī)。

地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力為4.1噸、4.5噸和5噸的H-2A成本為7700萬(wàn)美元，而地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力分別為7.5噸和9.5噸的H-2A成本為9500萬(wàn)美元。但是后者可通過(guò)一箭多星降低成本，從而贏得用戶的青睞。

亡羊補(bǔ)牢為時(shí)未晚

不過(guò)，H-2A火箭的發(fā)展之路并不平坦，因?yàn)樗?次連續(xù)成功之后，于2003年11月29日發(fā)射日本第3、4顆照相偵察衛(wèi)星時(shí)，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(fā)射失敗，也是目前的唯一一次失敗。

經(jīng)過(guò)一年多的事故調(diào)查、研究改進(jìn)，日本宇宙航空開發(fā)機(jī)構(gòu)于2005年2月26日用H-2A火箭把多用途運(yùn)輸衛(wèi)星-1R送入太空。此后便順風(fēng)順?biāo)?，至今保持不敗，連續(xù)成功發(fā)射11枚。

在總結(jié)失敗的教訓(xùn)過(guò)程中，不少人認(rèn)為，主要是日本宇宙開發(fā)體制存在死角，項(xiàng)目管理經(jīng)驗(yàn)不足，生產(chǎn)廠商制造能力低下，難以保證產(chǎn)品質(zhì)量；技術(shù)人員知識(shí)結(jié)構(gòu)的欠缺；日本航天機(jī)構(gòu)判斷有失誤。例如，日本航天業(yè)受經(jīng)驗(yàn)和預(yù)算不足制約，而且在預(yù)算不足的情況下只追求某一方面的高技術(shù)，增大了失敗的風(fēng)險(xiǎn)；日本航天管理機(jī)構(gòu)與火箭制造廠家的分工合作與統(tǒng)籌兼顧問(wèn)題討論不夠充分。

H-2A火箭助推器正在做點(diǎn)火測(cè)試

有專家說(shuō)，日本航天管理機(jī)構(gòu)負(fù)擔(dān)過(guò)于集中，超過(guò)了該機(jī)構(gòu)的承受能力，這是H-2A火箭發(fā)射失敗和事故連續(xù)不斷的原因之一。宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)向多個(gè)廠家分別訂貨、簽訂合同，由自己把握總體情況，這種做法負(fù)擔(dān)太重。為了提高宇宙開發(fā)的可靠程度，有必要由技術(shù)能力強(qiáng)、人才眾多的三菱公司從開發(fā)階段起就承擔(dān)起更多任務(wù)。此后，H-2A火箭的發(fā)射和制造全部移交給三菱重工業(yè)公司負(fù)責(zé)，不再像以往那樣由日本航天管理機(jī)構(gòu)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(dú)立檢查機(jī)構(gòu)，以強(qiáng)化日本航天管理機(jī)構(gòu)。尤其是日本把原來(lái)的3個(gè)航天機(jī)構(gòu)（日本宇宙開發(fā)事業(yè)團(tuán)、宇宙科學(xué)研究所和國(guó)家航空宇宙實(shí)驗(yàn)室）合并為宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)，以加強(qiáng)日本航天的統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)。

為了確保多用途運(yùn)輸衛(wèi)星-1R發(fā)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(méi)有進(jìn)行任何發(fā)射活動(dòng)（在歐美，從火箭發(fā)射失敗到再次發(fā)射一般要用200天～300天時(shí)間），集中精力對(duì)火箭助推器進(jìn)行了改良和點(diǎn)火試驗(yàn)。專家對(duì)其噴嘴形狀進(jìn)行了改進(jìn)，即開發(fā)出改進(jìn)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(jìn)行了3次地上點(diǎn)火試驗(yàn)，以檢查改進(jìn)的噴嘴效果。

相關(guān)機(jī)構(gòu)也吸取了2003年11月H-2A失敗的教訓(xùn)，各個(gè)制造廠商之間克服了競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的隔閡，加強(qiáng)了對(duì)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(yè)也參與了進(jìn)來(lái)。由于統(tǒng)管這些企業(yè)的日本宇宙機(jī)構(gòu)并不具有制造知識(shí)和能力，所以，三菱重工向其他廠商派出了技術(shù)人員進(jìn)行指導(dǎo)。三菱重工宇宙機(jī)器部部長(zhǎng)小林實(shí)說(shuō)：“(我們和他們)在安全防衛(wèi)等很多領(lǐng)域都是競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。雖然也有互相抵觸的反應(yīng)，但我們之間還是加強(qiáng)了對(duì)話交流?！爆F(xiàn)在，各廠家在火箭的研制能相互保護(hù)，即發(fā)現(xiàn)技術(shù)問(wèn)題后迅速告知有關(guān)廠商，從而避免了同樣失誤重現(xiàn)的事例。

另外，日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)采用量化分析方法來(lái)確定火箭和衛(wèi)星發(fā)射的安全性。因?yàn)榱炕治鼋柚唧w數(shù)字計(jì)算，透明度高，以此為基礎(chǔ)制定安全指南將降低火箭發(fā)射失誤的幾率。該機(jī)構(gòu)研究了如何計(jì)算每個(gè)元件故障幾率，以便計(jì)算各個(gè)元件保障安全發(fā)射所需要的“必要可靠度”，以及真正發(fā)射時(shí)這些元件的“實(shí)際可靠度”，把兩者進(jìn)行比較，根據(jù)結(jié)果制定安全對(duì)策；制定出元件數(shù)據(jù)收集方法等，并在此基礎(chǔ)上加入判斷失誤等人為因素。航天業(yè)安全性數(shù)據(jù)化目前還很少見(jiàn)，通常電子元件的可靠性是在批量生產(chǎn)階段進(jìn)行計(jì)算的。發(fā)射火箭和人造衛(wèi)星次數(shù)很少，利用統(tǒng)計(jì)數(shù)字計(jì)算出可靠性比較難。不過(guò)，用數(shù)據(jù)量化判斷安全性的方法如果應(yīng)用于實(shí)際，比以專家經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)進(jìn)行判斷更加客觀和安全。

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

2010年5月21日，從空中拍攝的H-2A火箭發(fā)射時(shí)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(gè)H-2轉(zhuǎn)移飛行器送上太空，然后與“國(guó)際空間站”對(duì)接。這是日本繼為“國(guó)際空間站”建造最大的實(shí)驗(yàn)艙希望號(hào)之后，對(duì)“國(guó)際空間站”工程的又一大貢獻(xiàn)。在美國(guó)航天飛機(jī)于2010年退役之后，該飛船將與歐洲空間局的自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器 (已于2008年成功發(fā)射了第1個(gè)）、俄羅斯的進(jìn)步號(hào)貨運(yùn)飛船（已發(fā)射多艘）一起成為 “國(guó)際空間站”的主要貨運(yùn)工具。

H-2B火箭也由日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)和三菱重工業(yè)公司聯(lián)合研發(fā)，是以液氧和液氫為推進(jìn)劑的二級(jí)火箭，長(zhǎng)約57米。其第一級(jí)燃料箱的直徑和長(zhǎng)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(gè)固體助推器。其運(yùn)載能力是H-2A火箭的2倍，可把16.5噸的H-2轉(zhuǎn)移飛行器送到“國(guó)際空間站”運(yùn)行軌道（近地點(diǎn)高為200千米、遠(yuǎn)地點(diǎn)高為300千米、傾角為51°的軌道），也能把約8噸的通信衛(wèi)星發(fā)射到地球同步轉(zhuǎn)移軌道，所以將染指全球商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射市場(chǎng)。

H-2B火箭矗立在發(fā)射臺(tái)上

H-2B火箭是H-2A火箭的改進(jìn)加強(qiáng)型，由芯一級(jí)、固體火箭助推器、第二級(jí)和整流罩4個(gè)分系統(tǒng)組成。

芯一級(jí)裝有2臺(tái)并聯(lián)的LE-7A氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，使用加長(zhǎng)型噴管，長(zhǎng)38.2米，直徑5.2米，推進(jìn)劑為液氫/液氧，攜帶量達(dá)175.8噸。它比H-2A的芯一級(jí)增加了1臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，2臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)裝在芯一級(jí)尾段的鋁合金制十字梁發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)架上，還調(diào)整2臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)間距，并在其噴管外壁增加絕熱層，以保證LE-7A發(fā)動(dòng)機(jī)外壁在被羽流加熱時(shí)不致過(guò)熱，減少羽流間的干擾；其直徑比H-2A的芯一級(jí)增大了1.2米；貯箱長(zhǎng)度比H-2A的芯一級(jí)增長(zhǎng)了1米,并采用摩擦攪拌焊接技術(shù)，從而減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，連接質(zhì)量好，可靠性高，不需預(yù)處理，成本降低；推進(jìn)劑攜帶量比H-2A的芯一級(jí)增加了74.8噸；地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力比H-2A的芯一級(jí)增加了近1倍；芯一級(jí)2臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)總推力2196千牛。

H-2B的芯一級(jí)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(jìn)型），每枚固體火箭助推器長(zhǎng)15.2米，直徑2.5米，質(zhì)量77噸，推進(jìn)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(jí)與H-2A的第二級(jí)一樣,采用1臺(tái)LE-5B氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，長(zhǎng)10.7米，直徑4米，推進(jìn)劑為液氫/液氧，16.6噸。由于此發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)方式由LE-7A的噴管分流膨脹循環(huán)變?yōu)槿紵遗蛎浥欧叛h(huán)，所以推力提高了13%，并具有多次啟動(dòng)能力，使火箭可將多個(gè)衛(wèi)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(fā)射H-2轉(zhuǎn)移飛行器的5S-H型整流罩長(zhǎng)15.0米，直徑5.1米；用于發(fā)射衛(wèi)星的4/4DLC型整流罩長(zhǎng)16.0米，直徑4.0米；整流罩質(zhì)量3.2噸。

其航天電子學(xué)系統(tǒng)中不僅繼續(xù)使用這種防止電子儀器短路裝置，同時(shí)還在芯一級(jí)火箭系統(tǒng)中配備了雙電子線路，實(shí)行火工品和飛行安全線路單獨(dú)布線，這樣能保證系統(tǒng)在空間各自具有獨(dú)立性，做到即便出現(xiàn)故障也能夠?qū)⒂绊懴拗圃谧钚?，確保完成發(fā)射任務(wù)。

H-2B火箭的液氫儲(chǔ)箱。H-2B第一級(jí)燃料箱的直徑和長(zhǎng)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(zhuǎn)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(fā)射區(qū)吉信發(fā)射場(chǎng)的2號(hào)發(fā)射臺(tái)發(fā)射，與H-2A共用地面設(shè)備和發(fā)射場(chǎng)。發(fā)射時(shí)H-2B火箭的質(zhì)量約為533噸（不包括有效載荷的質(zhì)量），所以發(fā)射能力大大提高了。用H-2A發(fā)射單顆衛(wèi)星的成本為8800萬(wàn)美元，而用H-2B發(fā)射1個(gè)H-2轉(zhuǎn)移飛行器或2顆衛(wèi)星的成本約為1.14億美元，所以H-2B有較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，并具有發(fā)射載人飛船、行星探測(cè)器的潛在能力。據(jù)國(guó)際上公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)載火箭推力低于8噸就不足以支持載人航天飛行。

現(xiàn)已確定用H-2B火箭執(zhí)行的發(fā)射任務(wù)至少為7次，即2009年～2015年每年至少發(fā)射1個(gè)H-2轉(zhuǎn)移飛行器，還將用H-2B發(fā)射地球靜止軌道衛(wèi)星，包括采用“一箭兩星”的發(fā)射方式，以降低商業(yè)衛(wèi)星的發(fā)射成本，打開新局面。

H-2B火箭的優(yōu)點(diǎn)是芯級(jí)采用性能最好液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)，因此推力大、無(wú)毒無(wú)污染，但是否能打入國(guó)際商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射市場(chǎng)，還要看其可靠性、發(fā)射成本、發(fā)射服務(wù)等。

H-2A火箭內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

H-2B火箭結(jié)構(gòu)示意圖