日本航天史上最大火箭迎来首飞！坐拥三大优势志在争夺国际市场

北京时间2023年2月17日09:37至09:44，搭载“大地3号”（DAICHI-3）光学遥感卫星的H3/TF1运载火箭，将从日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）鹿儿岛县种子岛宇宙中心发射升空，执行H3火箭的第一次测试飞行。H3具有运力强大、灵活度高、可靠性高、成本低等优点，是日本航天寄予厚望的新一代大型火箭。

日本航天史上体量最大的运载火箭

H3运载火箭为JAXA联合三菱重工研制的大型运载火箭，后者是项目主承包商，采用两级或两级半构型，由芯一级、芯二级、整流罩以及芯一级捆绑的助推器构成，芯级和整流罩直径均为5.2米，助推器直径2.5米。该箭芯一级配备2至3台LE-9开式膨胀循环液氢液氧发动机，单台真空推力1471千牛（约150吨），真空比冲422秒；芯一级周身捆绑0、2、4枚不等的SRB-3固体助推器，单枚海平面推力2158千牛（约220吨），真空推力2300千牛（约235吨），真空比冲283.6秒；芯二级配备LE-5B-3开式膨胀循环液氢液氧发动机，由H2A/B使用的LE-5B-2发动机改进而来，真空推力137千牛（约14吨），真空比冲448秒，工作时间740秒，具备3次点火能力；该箭拥有长版和短版整流罩可选，其中长版整流罩长16.4米，短版整流罩长约10米。

H3火箭最大构型（H3-24L）长63米，（不含载荷）起飞质量575吨，其500千米太阳同步轨道（SSO）运载能力超过4吨，地球同步转移轨道（GTO）运力7.9吨。在H3之前，日本体量最大的运载火箭是H2B火箭，该箭长56.6米，起飞质量531吨，芯一级直径5.2米，芯二级直径4米，助推器直径2.5米，整流罩直径5.1米、长度15米，GTO运力8吨。相较于言，H3长了6.4米，起飞质量大了43吨，GTO运力持平，H3火箭是日本航天史上高度最高、体积最大、起飞质量最大的运载火箭，GTO运力也与此前最大的H2B持平。

“链体裁衣”，灵活度高！

H3火箭继承了并发展了H2A/B火箭的构型思路，采用了模块化、组合化构型方式，通过配备不同数量一级发动机、不同数量固体助推器、不同规格整流罩形成了丰富的构型。

H3火箭具体构型用3个位数来表示，其中第一个位数表示芯一级发动机的个数，有2台和3台可选；第2个位数表示固体助推器的个数，有0个、2个和4个可选；第三个位数代表整流罩的规格，其中L和S分别代表长版和短版整流罩。以即将首飞的H3火箭为例，该火箭为H3-22S构型，表示该箭芯一级配备了2台发动机、捆绑2个固体助推器、使用短版整流罩。

相较于H2A/B火箭，H3火箭在构型上拓展了一级发动机数量调节、增加了无助推构型，让火箭的运力可以下探到更广阔的区间，具备更好的灵活性，为不同用户的需求提供适当的发射价格和运力。

另一方面，H3火箭的灵活性还体现在履约周期、发射场作业时间等方面。H3火箭的发射场作业天数减少到H2A的一半，履约时间（从下单到发射）也由原来的2年减为1年，如此能够更迅速地响应客户的发射需求。

基于成熟技术搞创新，可靠性高！

运载火箭的研发都是创新与继承相结合，创新能够使火箭的性能更先进，而继承能够使火箭拥有成熟技术的可靠性。

H3火箭大量继承了来自H2A/B火箭经过验证的技术，这构成了该火箭高可靠性的基础。以发动机为例，H3使用的SRB-3固体助推器是基于H2A/B火箭的固体助推器SRB-A改进而来，芯二级使用的LE-5B-3发动机基于H2A/B使用的LE-5B-2改进而来，SRB-A与LE-5B-2已经通过了大量的发射子样验证了它们可靠性。

在过往发射中，采用LE-5B作为末级发动机的火箭曾先后出现过2次飞行事故，但该发动机都在预冷不充分和箱压不足的不利条件下正常起动并稳定工作，证明了开式膨胀循环发动机具有较高的启动健壮性和工作可靠性，而更高的可靠性和安全性也是开式膨胀循环发动机相较于分级燃烧循环（闭式）发动机的优势，这也促使H3将芯一级发动机由H2A/B火箭的LE-7A分级燃烧循环发动机改为采用开式膨胀循环的LE-9发动机。

LE-9发动机基于大推力闭式膨胀循环发动机验证项目LE-X发展而来，继承了LE-X项目取得的技术成果，并利用最新的数字仿真技术，最终实现了相较于LE-5B发动机的3倍燃烧室压力、10倍推力，通过极致放大，最终得到了世界上第一种百吨级开式膨胀循环氢氧发动机。更安全的循环方式，加上要素试验和数值分析等新的开发方法的应用，为H3火箭提供了可靠的一级动力LE-9发动机，其与二级主动力LE-5B-3发动机及SRB-3固体助推器一道构成H3火箭安全可靠的基石。

工业化开发，成本低！

世界范围内，相对于一般工业品，运载火箭成本高的主要原因之一在于没有进行大规模工业化生产，无法通过真正的规模效应降低成本。H3火箭的研制则做到了向日本基础工业“取经”，利用日本国内汽车等其他行业的优秀商用货架产品（commercial-off-the-shelf，COTS）替代太空专用产品，以及将其从按订单生产（build-to-order）方式改为接近一般工业产品的生产线生产，从而有效降低了火箭的生产成本。

另一方面，基于模块化、通用化思路，H3火箭SRB-3固体助推器与“艾普斯龙”固体运载火箭芯一级实现了共用，未来两型火箭的航天电子设备和反应控制系统等还将实现共用，通过共用模块和火箭单机、子系统，可以提高生产规模，最终降低生产成本。此外，H3火箭芯一级发动机由H2A/B的LE-7A改为LE-9，实现了由分级燃烧循环（闭式）到开式膨胀循环的转变，由复杂的结构转变为相对简单的结构，也实现了成本的降低。

从零部件到单机再到分系统，H3在不同层面进行了成本控制，目标是将单发成本降至H2A火箭的1/2，其中主要用于近地轨道发射的无助推轻型构型H3-30S的目标价格是50亿日元（当前汇率折合人民币2.63亿元）。

H3火箭自2014年开始研制，充分继承了H2A/B火箭的成熟技术，重新进行了总体设计，在发动机等方面上进行了适当的技术创新，是日本寄予厚望的新一代大型运载火箭。按照规划，H3火箭将在满足国内政府订单的同时参与国际市场竞争，满足低、中、高轨乃至深空探测的发射需求。

目前，H3还处于测试飞行阶段，其GTO运力还只与H2B持平，未来芯二级可能改用LE-11开式膨胀循环液氢液氧发动机，真空推力约27吨、真空比冲467秒，堪称有史以来综合性能最强的上面级发动机，将推动H3成为日本历史上运力最强大的运载火箭。在未来20年，日本计划利用H3火箭每年执行6次左右的发射，不过，在目前激烈的市场竞争环境下，H3火箭的报价要获取国际订单还比较难，其主要满足的将是日本国内的需求。

作者：大白高国