□ 東方一劍

2010年5月21日，日本用H-2A火箭把金星探測器和“伊卡洛斯”太陽帆在內(nèi)的5個航天器一起，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”，因為這一直徑4米，全長53米的兩級火箭技術(shù)十分先進，可用于參與國際衛(wèi)星發(fā)射市場商業(yè)競爭。

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

H-2A的第一級使用1臺推力為1100千牛的LE-7A發(fā)動機（H-2第一級上的LE-7發(fā)動機推力為845千牛）。為了簡化生產(chǎn)工藝，降低成本和風(fēng)險，它更多地采用了鑄造和機加工藝，減少了焊接。H-2火箭發(fā)動機共有98焊接點，而H-2A的發(fā)動機只有8處，這樣可提高可靠性和操作性能，因為火箭的發(fā)動機是整個火箭的心臟部，最容易發(fā)生問題的是焊接部位。

H-2A火箭正在轉(zhuǎn)場

第二級用LE-5B取代了H-2第二級的LE-5A。LE-5B發(fā)動機推力為138千牛（LE-5A發(fā)動機的推力為117千牛）。另外，其貯箱結(jié)構(gòu)設(shè)計也作了改進，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，這樣能簡化生產(chǎn)過程，提高安全性，但缺點是使重量有所增加。

其SRB-A固體火箭助推器采用了從美國引進的整體制造技術(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，每臺的推力為1556千牛。H-2A所用的SRB-A助推器也用復(fù)合推進劑，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，簡化了發(fā)射操作。新助推器的單臺推力也提高到了2254千牛。

由于H-2A采用新的LRB液體助推器，所以運載火箭的支承結(jié)構(gòu)方案作了相應(yīng)改進，由固體助推器支撐芯級方案改進為芯級自身支撐方案。每臺LRB助推器使用2臺LE-7A發(fā)動機。

近100年來，美國制造的起司多半是黃色的美式起司，其中又以切達起司獨占鰲頭，其生產(chǎn)數(shù)量是其他所有美國起司的三倍以上。美國卡夫食品公司將切達起司制成起司片和Velveeta起司，這也是美國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)射費用降到H-2的一半，基本與歐美持平。H-2一味追求100%國產(chǎn)化，而H-2A有許多零部件是從其他國家購買的（如第二級貯箱的一些組件），并更多地采用了商用元器件。H-2火箭整體的設(shè)計可靠性為97.4%，H-2A為98.2%。

H-2A火箭的LE-7A第一級發(fā)動機

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

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

地球同步轉(zhuǎn)移軌道運載能力為4.1噸、4.5噸和5噸的H-2A成本為7700萬美元，而地球同步轉(zhuǎn)移軌道運載能力分別為7.5噸和9.5噸的H-2A成本為9500萬美元。但是后者可通過一箭多星降低成本，從而贏得用戶的青睞。

亡羊補牢為時未晚

不過，H-2A火箭的發(fā)展之路并不平坦，因為它曾在5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，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)過一年多的事故調(diào)查、研究改進，日本宇宙航空開發(fā)機構(gòu)于2005年2月26日用H-2A火箭把多用途運輸衛(wèi)星-1R送入太空。此后便順風(fēng)順?biāo)两癖３植粩?，連續(xù)成功發(fā)射11枚。

在總結(jié)失敗的教訓(xùn)過程中，不少人認(rèn)為，主要是日本宇宙開發(fā)體制存在死角，項目管理經(jīng)驗不足，生產(chǎn)廠商制造能力低下，難以保證產(chǎn)品質(zhì)量；技術(shù)人員知識結(jié)構(gòu)的欠缺；日本航天機構(gòu)判斷有失誤。例如，日本航天業(yè)受經(jīng)驗和預(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；日本航天管理機構(gòu)與火箭制造廠家的分工合作與統(tǒng)籌兼顧問題討論不夠充分。

H-2A火箭助推器正在做點火測試

有專家說，日本航天管理機構(gòu)負擔(dān)過于集中，超過了該機構(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)機構(gòu)向多個廠家分別訂貨、簽訂合同，由自己把握總體情況，這種做法負擔(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、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)公司負責(zé)，不再像以往那樣由日本航天管理機構(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立檢查機構(gòu)，以強化日本航天管理機構(gòu)。尤其是日本把原來的3個航天機構(gòu)（日本宇宙開發(fā)事業(yè)團、宇宙科學(xué)研究所和國家航空宇宙實驗室）合并為宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)，以加強日本航天的統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)。

為了確保多用途運輸衛(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年沒有進行任何發(fā)射活動（在歐美，從火箭發(fā)射失敗到再次發(fā)射一般要用200天～300天時間），集中精力對火箭助推器進行了改良和點火試驗。專家對其噴嘴形狀進行了改進，即開發(fā)出改進型固體火箭助推器（SRB-A），并在2004年9月、11月和2005年1月12進行了3次地上點火試驗，以檢查改進的噴嘴效果。

相關(guān)機構(gòu)也吸取了2003年11月H-2A失敗的教訓(xùn)，各個制造廠商之間克服了競爭對手的隔閡，加強了對話交流。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)也參與了進來。由于統(tǒng)管這些企業(yè)的日本宇宙機構(gòu)并不具有制造知識和能力，所以，三菱重工向其他廠商派出了技術(shù)人員進行指導(dǎo)。三菱重工宇宙機器部部長小林實說：“(我們和他們)在安全防衛(wèi)等很多領(lǐng)域都是競爭對手。雖然也有互相抵觸的反應(yīng)，但我們之間還是加強了對話交流?！爆F(xiàn)在，各廠家在火箭的研制能相互保護，即發(fā)現(xiàn)技術(shù)問題后迅速告知有關(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)機構(gòu)采用量化分析方法來確定火箭和衛(wèi)星發(fā)射的安全性。因為量化分析借助具體數(shù)字計算，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。該機構(gòu)研究了如何計算每個元件故障幾率，以便計算各個元件保障安全發(fā)射所需要的“必要可靠度”，以及真正發(fā)射時這些元件的“實際可靠度”，把兩者進行比較，根據(jù)結(jié)果制定安全對策；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，通常電子元件的可靠性是在批量生產(chǎn)階段進行計算的。發(fā)射火箭和人造衛(wèi)星次數(shù)很少，利用統(tǒng)計數(shù)字計算出可靠性比較難。不過，用數(shù)據(jù)量化判斷安全性的方法如果應(yīng)用于實際，比以專家經(jīng)驗為基礎(chǔ)進行判斷更加客觀和安全。

俗話說，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好頭。

2010年5月21日，從空中拍攝的H-2A火箭發(fā)射時的圖片

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H-2轉(zhuǎn)移飛行器送上太空，然后與“國際空間站”對接。這是日本繼為“國際空間站”建造最大的實驗艙希望號之后，對“國際空間站”工程的又一大貢獻。在美國航天飛機于2010年退役之后，該飛船將與歐洲空間局的自動轉(zhuǎn)移飛行器 (已于2008年成功發(fā)射了第1個）、俄羅斯的進步號貨運飛船（已發(fā)射多艘）一起成為 “國際空間站”的主要貨運工具。

H-2B火箭也由日本宇宙航空研究開發(fā)機構(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劑的二級火箭，長約57米。其第一級燃料箱的直徑和長度都比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個固體助推器。其運載能力是H-2A火箭的2倍，可把16.5噸的H-2轉(zhuǎn)移飛行器送到“國際空間站”運行軌道（近地點高為200千米、遠地點高為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。

H-2B火箭矗立在發(fā)射臺上

H-2B火箭是H-2A火箭的改進加強型，由芯一級、固體火箭助推器、第二級和整流罩4個分系統(tǒng)組成。

芯一級裝有2臺并聯(lián)的LE-7A氫氧發(fā)動機，使用加長型噴管，長38.2米，直徑5.2米，推進劑為液氫/液氧，攜帶量達175.8噸。它比H-2A的芯一級增加了1臺發(fā)動機，2臺發(fā)動機裝在芯一級尾段的鋁合金制十字梁發(fā)動機機架上，還調(diào)整2臺發(fā)動機間距，并在其噴管外壁增加絕熱層，以保證LE-7A發(fā)動機外壁在被羽流加熱時不致過熱，減少羽流間的干擾；其直徑比H-2A的芯一級增大了1.2米；貯箱長度比H-2A的芯一級增長了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；推進劑攜帶量比H-2A的芯一級增加了74.8噸；地球同步轉(zhuǎn)移軌道運載能力比H-2A的芯一級增加了近1倍；芯一級2臺發(fā)動機總推力2196千牛。

H-2B的芯一級捆綁了4枚以端羥基聚丁二烯為燃料的固體火箭助推器（SRB-A改進型），每枚固體火箭助推器長15.2米，直徑2.5米，質(zhì)量77噸，推進劑攜帶量66噸。4枚固體火箭助推器總推力9140千牛。

該火箭的第二級與H-2A的第二級一樣,采用1臺LE-5B氫氧發(fā)動機，長10.7米，直徑4米，推進劑為液氫/液氧，16.6噸。由于此發(fā)動機的循環(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%，并具有多次啟動能力，使火箭可將多個衛(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15.0米，直徑5.1米；用于發(fā)射衛(wèi)星的4/4DLC型整流罩長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，同時還在芯一級火箭系統(tǒng)中配備了雙電子線路，實行火工品和飛行安全線路單獨布線，這樣能保證系統(tǒng)在空間各自具有獨立性，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火箭的液氫儲箱。H-2B第一級燃料箱的直徑和長度都比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)射場的2號發(fā)射臺發(fā)射，與H-2A共用地面設(shè)備和發(fā)射場。發(fā)射時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8800萬美元，而用H-2B發(fā)射1個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有較強的市場競爭力，并具有發(fā)射載人飛船、行星探測器的潛在能力。據(jù)國際上公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)，運載火箭推力低于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)點是芯級采用性能最好液氫液氧發(fā)動機，因此推力大、無毒無污染，但是否能打入國際商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射市場，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