日本新一代大型H3 火箭首飞失利影响分析

王姝雅 马昆 王林 （ 北京航天长征科技信息研究所， 中国运载火箭技术研究院）

H3 火箭从种子岛航天中心发射升空

作为国外新一代主力运载火箭第一个进行首飞的型号，经历多次推迟的H3 首飞任务仍遭遇终止和失败。这是继2022 年10 月“艾普斯龙”（Epsilon）火箭因二子级姿控系统故障发射失败后，日本再次遭遇发射失利。

1 首飞任务及失利概况

北京时间2023 年3 月7 日9 时37 分，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）研制的新一代大型运载火箭H3 发射升空，执行首飞任务，计划将先进陆地观测卫星-3（ALOS-3）光学遥感卫星送入太阳同步轨道（SSO）。JAXA 在任务失败后提供的数据显示，自动倒计时结束后，H3 火箭从位于种子岛航天中心的发射台顺利升空，随后固体火箭助推器成功分离。4min56s 后，一子级主发动机关机，一、二子级成功分离，与计划飞行时序一致。然而，本应在5min16s 点火的上面级发动机并未启动，在达到约3.6km/s 的速度后，火箭开始减速。传回地面控制中心的数据显示，在没有上面级发动机推力的情况下，火箭飞行至约630km 的最大高度。在确定无法将有效载荷送入指定轨道后，地面控制中心在发射后13min55s 向火箭发出指令自毁，H3 首飞箭和3t 重的ALOS-3 卫星碎片落在菲律宾以东海域[1]。

H3 的首次发射窗口原定于北京时间2023 年2月17 日9 时37 分开启，但由于在自动点火倒计时期间，火箭芯一级系统检测到异常，未发送固体助推器点火信号，发射遭遇中止。经调查，LE-9 主发动机启动后，在切断箭上和地面之间的所有电源和通信连接时，瞬间电势变化影响到火箭一子级的飞行控制系统（V-CON1），V-CON1 检测到错误命令，因此未发送固体助推器点火信号，导致发射中止。针对上述问题，JAXA 将上述程序从一次性切断所有电源和通信连接，调整为间隔切断，并通过试验验证了该方法抑制瞬间电势波动的有效性。

JAXA 在失利后提供的本次任务的实际飞行数据

故障调整情况

2 H3 火箭技术方案

构型

H3 火箭的结构设计以H-2A 和H-2B 为基础，最大限度地利用原有技术，基于简化设计和通用化设计的原则实现灵活、可靠和低成本的研制目标。H3火箭由JAXA 牵头研制，三菱重工有限公司（MHI）为其主承包商。

H3 火箭采用两级加捆绑助推器构型，直径5.2m，整箭高57 ～63m，芯一级采用2 ～3 台LE-9 氢氧发动机，上面级采用1 台LE-5B-3 氢氧发动机，捆绑固体助推器数量为0/2/4 枚，可配合使用长短2 种整流罩，主要有4 种构型，起飞质量270 ～572t，其中无助推构型（H3-30S）的太阳同步轨道运载能力为4t，4 助推构型的地球同步转移轨道（ΔV=1500m/s）运载能力为6.5t。无助推构型计划用于政府载荷发射，其他构型则用于商业卫星发射。

本次首飞构型为H3-22S，即芯一级安装2 台LE-9、捆绑2 枚固体助推器、采用短型整流罩的构型，起飞质量422t、高57m，所发射的ALOS-3 卫星质量为3t，目标轨道为669km 的太阳同步轨道（SSO）。

H3 火箭的SRB-3 固体助推器基于此前H-2A/B 的SRB-A 改进而来，直径同样为2.5m，长15m，推进剂质量67.2t，总质量76.2t，工作时长110s，海平面推力2158kN，比冲283.6s，采用固定喷管。SRB-3 采用日本国产碳纤维复合材料壳体制造方案替代了此前从美国引进的制造技术和设备，降低了成本。在捆绑连接和分离方式上，利用“推力销”替代了SBR-A 采用的6 根传力杆，利用气动伺服机构驱动的活塞机构实现分离，实现了设计简化和结构减重。另外，SRB-3 还将作为艾普斯龙-S 改进型固体小型火箭一子级，达到模块通用化和降低总体成本的目的。

H3 的一子级基于H-2B 一子级改进而来，直径同为5.2m，长37m，总质量240t，推进剂质量225t，工作时长约300s，可以安装2 台或3 台LE-9发动机。LE-9 是世界上首型采用开式膨胀循环（膨胀排气循环）的主发动机，海平面推力1221kN，真空推力达1471kN，真空比冲425s。真空推力相比H-2A/B 上采用分级燃烧循环的LE-7A 的1078kN有所提升，但真空比冲低于LE-7A 的446s。发动机创新改进包括开式膨胀循环、3D 打印制造、电动阀变推力控制（最大调节能力达到60%）等。

二子级直径5.2m，长12m，总质量27t，推进剂质量24.5t，工作时长约686s，采用LE-5B-3 氢氧发动机。LE-5B-3 基于H-2A/B 的LE-5B-2 改进而来，同样采用开式膨胀循环，真空推力137kN，真空比冲从446.6s 提升至448s，最大工作时长从534s 增 加 至740s，具 备5 次 启 动 能力。JAXA 在2017-2019 年针对LE-5B-3 发动机开展了2 轮共计35 次试车，并在2020 年7-8 月对二子级进行了3 次试车，针对试车过程中出现的液氢涡轮分子泵转速过高、供氧压力下降等问题进行改进，对二子级及其发动机进行了充分验证。不过，本次发射还是出现二子级发动机未能启动的故障情况。

H3 系列火箭包括4 种构型

分系统

JAXA 基于简化设计和通用化设计原则，在H3火箭推进、结构和电气3 个主要分系统上采取了多方面的措施。

1）推进分系统。减少发动机零部件数量、采用更便于加工的形状、简化工序并实现流程自动化；阀门和传感器等零部组件采用汽车航空工业领域的商业现货产品，但要经过严格评估；采用电动执行机构替代伺服机构的液压系统和阀门的气压作动系统，飞行过程中所有阀门和伺服机构全部依靠电力驱动。

2）结构分系统。进一步扩大旋压成型工艺应用范围，减少使用大型锻造环和厚壁板材；发动机段、箱间段采用自动铆接工艺；分离机构和火工品等关键部件和H-2A/B 共用。

3）电气分系统。采用“分布式控制系统”和“网络”系统，电气系统的设备都连接到网络中，相比在H-2A/B 上传感器、计算机、通信设备通过独立线缆与地面连接传输信息的方式，分布式、网络化的结构大幅减少线缆的数量，减轻了重量、简化了发射场组装、检查和发射工作，并降低了成本。另外，为提高系统可靠性，H3 火箭电气系统冗余能力也得到改进和提升。

制造

为了提高H3 火箭研制效率，缩短研制周期，同时也为了进一步降低后续使用阶段的运营成本，JAXA 优化了H3 火箭的生产制造方式，同时还引进了很多新技术。

研制过程中，采用“快速跟踪”的方式，并行开展设计研发工作和制造工作，在设计和验证还没有完全结束之前，就启动样件和样机的制造，尽管可能会带来“返工”的风险，但可以通过风险管理尽可能规避“返工”问题，从而大幅提高效率，缩短研制周期。

为了在H3 火箭进入稳定运营状态之后，实现发射价格降至H-2A 一半左右的目标（指H3-30S 构型），负责火箭制造的总承包商三菱重工扩建了火箭制造装配厂房，在当前借鉴汽车和航空工业流水线生产方式的基础上，后续将把H3 火箭分为4 个部分，各个部分的转移过程和加工过程同步进行，并称之为“节拍生产”。

最后，在继承H-2A/B 技术的同时，日本还考虑新技术整合应用，装配制造和检测的自动化，以及3D 打印等新技术。LE-9 发动机的管道、阀门、喷油器、燃烧室等结构件大量采用3D 打印技术，其中喷注器从此前500 个零部件组装简化为一体成型，才能使整体成本降低50%以上成为可能。

3 研制背景及历程

背景

尽管日本的航天发射次数较少，在国际商业发射市场上的份额也很少，但是一直强调其主力火箭的国际竞争力，因此也将H3 火箭与猎鹰-9（Falcon-9）、阿里安-6（Ariane-6）、“火神”（Vulcan）、“新格伦”（New Glenn）和安加拉-A5（Angara-A5）等新型火箭对标，提出要将H3 火箭的单次发射成本降至50 亿日元，在卫星发射需求规模化和多样化的商业市场上寻求更多机会。

日本发展H3 火箭更重要的原因是要保持独立自主进入空间的能力。航天技术和装备的快速发展，也对进入空间能力提出了更高的需求，需要更加高效和可靠的发射方式，而且还能够与“艾普斯龙”小型固体火箭共用技术，保持其固体火箭技术的能力。

另外，日本还提出避免航天人才断层的问题，从H-2A/B 研制活动至今已经30 年，需要开展新的火箭研制项目来培养人才，传承经验，保证日本航天工业的持续发展。

因此，H3 运载火箭是日本为降低现役主力火箭的高昂成本而开发的下一代大型运载火箭，经过近十年的研制，来维持和加强日本航空航天工业基础，为日本提供可靠进入空间的能力，并提升日本在国际商业发射服务市场上的竞争力。根据对客户的调研结果，在H3 火箭的开发规范中还规定了以下三点：①有竞争力的发射能力和价格；②发射场的操作改进以及确保在预定日期发射；③给卫星提供振动更小，环境更好的发射条件。

主要大事件

2013 年5 月，日本内阁航天运输系统委员会向日本政府提出研制H3 运载火箭的建议。

2014 年1 月，日本政府正式批准，为H3 火箭的研制提供总额19 亿美元的研制经费。

2014 年4 月，JAXA 和三菱重工有限公司着手H3 运载火箭的开发。

2016 年6 月，JAXA 对火箭实施综合系统基本设计审查，审查结果表明可以进入详细设计阶段。

2017 年4 月，开始在种子岛宇宙中心开展一子级发动机LE-9 的点火试验。

2017 年12 月，JAXA 对火箭实施综合系统详细设计审查，判断可以进入试验机制造阶段。

2020 年5 月，LE-9 发动机在地面试车过程中燃烧室和涡轮泵出现技术问题。

2020 年9 月，为了应对上次试验中出现的问题，JAXA 重新修改了H3 运载火箭的开发计划，并将试验机1 号机（TF1）的发射时间推迟到不晚于2021 财年。

2022 年1 月，JAXA 宣布，由于2020 年在鉴定试车中暴露出的发动机故障问题仍未解决，首飞时间再度推迟。

2022 年3 月下旬至7 月上旬，在种子岛宇宙中心通过发动机燃烧试验进行叶片振动测试，选定适合试验机1 号机的规格。

2022 年7 月下旬起，开始实施认定燃烧试验（共9 次）；9 月下旬，首台LE-9 发动机已通过试车鉴定并安装到一子级，10 月初，首飞箭所采用的第二台LE-9 发动机也通过了验收试验，试验结果表明，发动机可以全部按照预期工作，能够搭载首飞箭上天。

2022 年11 月，H3 首飞箭在种子岛航天发射场的发射台上进行了全箭静态点火试验，芯一级的两台LE-9 发动机工作25s 后关机。此后，JAXA 对试验中出现的一子级液氧加压接头处泄漏、液氧贮箱顶部溢流阀以及火箭尾焰导流槽出口噪声超过振动环境条件限制值等问题进行改进，并着手发射准备工作。

4 研制特点分析

继承已有技术，平衡技术创新和可靠性

H3 总体构型基本与H-2A/B 一致，采用固体捆绑助推器加芯级氢氧构型，保持灵活性和通用性；直径与H-2B 主结构一致，为5.2m，旋压成型等大尺寸结构的制造技术和能力得到以沿用，原有的地面设备也能够相匹配；主要动力系统都是在已有的基础上进行改进，除LE-9 相比LE-7A 在循环方式上有较大变化外，SBR-3 和LE-5B-3 都以局部适应性改进为主，而不是全面颠覆原有方案；而分离系统和火工品等关键单机组件则直接继承自H-2A/B。

基于简化和通用化原则，大幅降低成本

为在激烈的市场竞争中占据一席之地，H3 运载火箭通过简化结构、减少特殊材料使用以及自动化工艺来实现成本的降低。如利用旋压成型工艺减少推进剂箱结构部件数量、将自动铆接机用于结构装配、将3D 打印技术用于管路和喷射器等部件，以及使用飞机和汽车工业中的商业货架电气零部件。

此外，H3 不同构型的组件和结构大量采用通用化设计，如推进剂管路被设计为共同的结构，管道数量根据发动机数量自由调整；长型整流罩的上部也采用与短型相同的标准化结构，只需在短型上增加圆形下部即可；JAXA 还对反作用控制系统（RCS）肼基推进剂加注量以及箭上数据传输天线安装位置进行标准化和规范化设计，以最大限度地减少每次任务的定制操作。这种与有效载荷质量相对应的通用化、模块化设计不仅能带来具有国际竞争力的发射服务价格并提高生产效率，也为客户提供许多好处，如更易于更换组件、缩短组件成熟时间以及稳定的质量等。

优化生产制造环节，面向批产进行布局

与美国很多新兴商业航天公司重视制造和批产的研制理念类似，日本也非常重视H3 火箭的生产制造环节，在研制过程中尽可能将样机制造前移，利用3D 打印和旋压成型等工艺提高生产效率，为后续火箭产品引进了“节拍生产”模式。而且，在未来的运营中，H3 运载火箭还将采用“计划生产”而非按订单生产。按计划制造的运载火箭将定期运往发射场。计划生产可以避免生产过程重叠和闲置时间，最终降低生产成本。这种生产方式还可以防止对特殊任务所需的专用生产设备进行过度投资，创造相对理想的生产过程。为了在实行这种生产模式的同时满足客户需求，从工厂交付的运载火箭将被存储一段时间（发射场运载器组装大楼内），当有新的发射需求或订单时，储存的运载火箭可快速为下一次发射做好准备。

5 首飞失利影响分析

JAXA 发布的故障调查报告显示，火箭一、二级分离后，二级发动机控制器（ECB）收到了二级控制系统（PSC2，采用A/B 双系统冗余备份）点火指令。之后PSC2 进行自检时，先发现PSC2-A 系统输出到点火启动执行组件（PNP）的电压下降，关闭PSC2-A 系统后，备份的PSC2-B 系统输出到PNP的电压同样也明显下降，PNP 因电压不足无法执行点火启动的相关动作。PSC2 到PNP 的输出电压下降可能是由于误检、启动瞬时电流过大、线路短路等原因，但还未明确定位，还需要进一步试验确认。H3 火箭首飞失利将对日本未来的航天发展计划、航天发射业务以及技术竞争力等方面产生影响。

日本主力火箭更新换代的计划将进一步推迟

根据日本内阁府于2020 年6 月发布的《宇宙基本计划》，H3 原计划在2023 年后取代自20 世纪90年代以来的主力火箭H-2A/B，但由于研制过程中芯一级LE-9 主发动机研制受阻，本就已经多次推迟，加上本次发射失利影响，短时间内可能还难以完成换代。然而H-2B 已经在2019 年退役，三菱重工在2022 年则表示H-2A 将在完成50 次任务后就停产[2]，目前仅剩余4 次发射任务，火箭换代期间日本可能会面临一定压力。

日本进入国际商业发射市场的意图受阻

JAXA 通过优化生产、制造以及服务流程等方式削减H3 火箭发射成本，提高发射频率，试图提高竞争力。然而在竞争激烈的国际市场上，日本需要多长时间进行故障调查分析并完成复飞，会在很大程度上影响其能够把握当前大型星座发展的市场机遇。而且，从研发定位来看，在可重复使用的猎鹰-9 市场稳固、低轨道大星座逐渐成为主流的商业航天市场格局下，发射服务的优势特点和竞争实力仍有不足。结合近年来日本航天发射任务不多，火箭的生产数量较少，加之此次H3 首飞的失利，日本还未具备兼顾低成本与高可靠性发射的能力。JAXA 也表示，H3 首飞失败可能会提高未来的发射成本，但仍将致力于研发具有竞争力的火箭。

日本在美国牵头的深空探测计划中参与度可能会打折扣

日本计划利用H3 火箭和HTV-X 货运飞船向月球“门户”（Gateway）运输货物，参与美国的“阿尔忒弥斯”（Artemis）载人月球探测计划：第一步是利用2 发H3 火箭发射HTV-X 货运飞船和服务舱，再前往环月轨道；第二步是在21 世纪30 年代前后推出捆绑2 枚通用芯级助推器的H3 重型火箭，月球轨道运载能力达11.9t，可直接发射HTV-X 货运飞船和着陆器。原本就计划10 年后发射的H3 重型也会因首飞失利而存在更大的不确定性。

6 结束语

H3 火箭首飞因LE-9 主发动机问题多次推迟，根据目前公布的信息，首飞任务中方案特别、研制历程坎坷的LE-9 主发动机表现正常，初步得到了验证，反而是二子级相对成熟的LE-5B-3 发动机未能成功启动。与此同时，美国的“火神”、欧洲的阿里安-6等新一代主力火箭也在研制过程中遭遇了不同程度的技术问题，仍在进行首飞前各项验证准备工作。H3虽然争得了新一代主力火箭首飞的先机，但却未能成功。这在一定程度上说明，航天发射活动的高风险性，特别是新技术、新方案的应用上，需要开展充分的验证，尽可能降低和消除潜在风险。