訊息：淺議：一條道跑到黑的日本大火箭

前兩天，日本最新型運(yùn)載火箭H3迎來首場(chǎng)發(fā)射秀，但在發(fā)射臺(tái)噴冷卻水烘托完氣氛，主發(fā)動(dòng)機(jī)冒出紅光之后，就沒有然后了。日本歷史上最粗壯大火箭的首次發(fā)射就這樣以—“發(fā)了，又好像沒發(fā)”的方式結(jié)束了，就好像每個(gè)月還完花唄的工資。

從后來JAXA公布的消息來看，發(fā)射中止的原因是主發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后火箭的控制系統(tǒng)檢測(cè)到了一級(jí)火箭的故障信號(hào)，因此沒有向助推器發(fā)出點(diǎn)火信號(hào)，所以可以視為是一次因?yàn)樘崆邦A(yù)判到了失敗而沒有造成失敗的發(fā)射。被日本國(guó)內(nèi)寄予厚望的H3火箭，在被推遲了兩年多之后以這樣的方式迎來首秀，對(duì)于JAXA上下來說，多少有些意難平，也難怪項(xiàng)目經(jīng)理岡田會(huì)淚灑新聞發(fā)布會(huì)現(xiàn)場(chǎng)。

這位經(jīng)理，你真的不是TOYOTA 李嗎？

(資料圖片僅供參考)

在發(fā)射直播眾多的評(píng)論里面，有一條日本網(wǎng)友的評(píng)論顯得格外人間清醒：“在太空開發(fā)中，你從失敗中學(xué)到的東西比從成功中學(xué)到的更多，所以我希望你積極向上?！睆纳鲜兰o(jì)70年代開啟本國(guó)的宇宙開發(fā)計(jì)劃以來，日本的火箭就走上了一條大目標(biāo)無比堅(jiān)定，但小心思不斷搖擺的道路。本著看熱鬧不嫌事大的吃瓜原則，這一期小編就來跟各位群眾扯一扯日本大火箭的發(fā)展歷程。

這位網(wǎng)友，我勸你善良

日本是藍(lán)星上能用本國(guó)火箭發(fā)射本國(guó)衛(wèi)星的玩家俱樂部里面的第四個(gè)成員，但也是唯一一個(gè)進(jìn)入這個(gè)俱樂部后仍然不具備可持續(xù)的太空發(fā)射能力的國(guó)家，因?yàn)槿毡景l(fā)射首顆衛(wèi)星“大隅”號(hào)的L火箭是一種小型的全固體燃料火箭，完全就沒法在此基礎(chǔ)上發(fā)展大推力運(yùn)載火箭。成功發(fā)射本國(guó)第一顆衛(wèi)星帶來的航天熱，讓日本朝野上下對(duì)于發(fā)展航天工業(yè)技術(shù)，帶動(dòng)本國(guó)科技發(fā)展、提升國(guó)家的國(guó)際地位這一戰(zhàn)略達(dá)成了共識(shí)。為了能夠盡快掌握大推力液體火箭技術(shù)，日本再次發(fā)動(dòng)了自己“拿來主義”的傳統(tǒng)藝能，通過《日美航天交流協(xié)議》從美國(guó)照搬“德爾塔”火箭的相關(guān)技術(shù)，來發(fā)展本國(guó)的首型液體燃料運(yùn)載火箭，這就是N系列火箭。而全固體多級(jí)火箭方案日本人也沒有放棄，在L火箭基礎(chǔ)上發(fā)展成了后來的M系列火箭。

在由首相辦公室直接管轄的空間活動(dòng)委員會(huì)領(lǐng)導(dǎo)下，日本宇宙開發(fā)事業(yè)團(tuán)（NASDA）負(fù)責(zé)航天運(yùn)載產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，要在逐步掌握液體火箭技術(shù)基礎(chǔ)上，建立起完全自主的大推力運(yùn)載火箭研制和生產(chǎn)體系，并以小步快跑的形式逐步提升運(yùn)載能力；日本宇宙科學(xué)研究所繼續(xù)發(fā)展全固體燃料的多級(jí)小火箭，支持本國(guó)科研單位的太空科學(xué)研究需求。雖然在2003年這兩個(gè)組織合并成了現(xiàn)在的日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA），但日本運(yùn)載火箭的發(fā)展戰(zhàn)略卻依然如故的發(fā)展至今，保持了絕對(duì)的穩(wěn)定性，這也是日本火箭運(yùn)載能力不斷穩(wěn)步提升的基礎(chǔ)。

N1，N2，H1，H2，H2A，H2B，H3，日本火箭一路長(zhǎng)大

N1火箭幾乎是在日本首顆衛(wèi)星發(fā)射成功后就開始了研制，這是一種三級(jí)構(gòu)型的運(yùn)載火箭，一二級(jí)火箭使用液體燃料、三級(jí)火箭使用固體燃料，地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力為250公斤。除了第二級(jí)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)由日本自研之外，一級(jí)和三級(jí)都以許可證形式用美國(guó)圖紙?jiān)谌毡旧a(chǎn)，這樣操作可以保證日本在技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)可控的情況下，快速掌握火箭研制技術(shù)，鋪開產(chǎn)業(yè)格局，積累研制經(jīng)驗(yàn)，獲得衛(wèi)星發(fā)射能力。N1火箭在1975年首飛即獲得成功，證明了日本航天發(fā)展規(guī)劃的可行性。N2可以視為是N1的加長(zhǎng)放大版，進(jìn)一步提升國(guó)產(chǎn)化率的基礎(chǔ)上，運(yùn)載能力也有了提升，N2的國(guó)產(chǎn)化率達(dá)到了60%，地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力達(dá)到700公斤。但N系列火箭注定只是日本追求火箭技術(shù)自主道路上的過客，N1和N2火箭加一起一共只飛了15發(fā)，時(shí)間跨度卻從1975年持續(xù)到了1987年，差不多一年只有一飛，倒不是日本人不想多飛，而是美國(guó)人發(fā)的生產(chǎn)許可證只有那么多，用完就沒了，所以日本對(duì)于提升火箭技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化率特別在意，迫切想要早日實(shí)現(xiàn)“火箭自由”。

具備了研發(fā)液體燃料火箭基本能力之后，走哪條技術(shù)發(fā)展路線就成為了擺在日本航天界面前的首要問題。在當(dāng)時(shí)，這個(gè)問題對(duì)于日本人來根本就不是問題，日本推進(jìn)技術(shù)委員會(huì)幾乎一邊倒的選擇了高性能低溫推進(jìn)系統(tǒng)，換個(gè)說法就是液氫液氧推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)作為首選動(dòng)力。從齊奧爾科夫斯基發(fā)表理想火箭公式起，液氫就被認(rèn)為是最理想的星際航行燃料，對(duì)于志在宇宙開發(fā)的日本來說，發(fā)展液氫燃料的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)然最對(duì)自己胃口。另外還有關(guān)鍵的一點(diǎn)，美國(guó)在阿波羅計(jì)劃之后，對(duì)于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的研制已經(jīng)轉(zhuǎn)向了氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，與美國(guó)研發(fā)步調(diào)保持一致，也更利于本國(guó)后續(xù)火箭技術(shù)的發(fā)展。所以從N2火箭開始研制起，日本毅然決然的放棄了已經(jīng)積累了一定研制經(jīng)驗(yàn)的液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)而去研制技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)更大，更加燒錢的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，只有如此才能彰顯日本在航天領(lǐng)域的雄心，也只有如此才能彰顯日本重回大國(guó)行列的雄心。

1981年，H1火箭的研制正式上馬，仍然采用“小步快跑，繼承中發(fā)展”的迭代研發(fā)模式，在前面幾代液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研制中，日本幾乎都是在試飛本代火箭的同時(shí)就立刻開始下一代火箭的研發(fā)，體現(xiàn)了超強(qiáng)的計(jì)劃性。H1火箭芯級(jí)的直徑仍與N系列火箭一樣保持為2.4米，最大的區(qū)別就是二級(jí)換成了自研的LE-5氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，這是一種中等室壓、燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，技術(shù)指標(biāo)雖然中規(guī)中矩，但卻是日本航天工業(yè)開始點(diǎn)滿氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)科技樹的起點(diǎn)之作。H1火箭的三級(jí)更換了更大推力的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，制導(dǎo)和控制系統(tǒng)也有了很大的升級(jí)，全箭國(guó)產(chǎn)化率進(jìn)一步提升到84%，同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力進(jìn)一步提升到1噸的量級(jí)。1986年8月13日，H1火箭首秀成功，完成了日本航天史上首次一箭雙星發(fā)射，大大提振了整個(gè)日本航天工業(yè)的信心。

從外形上來看，H1就是N2的加長(zhǎng)版，也許叫做N3更合適

H1火箭從1986年一直飛到了1991年，但原計(jì)劃要在1992年接棒的H2火箭卻因?yàn)長(zhǎng)E-7氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的難產(chǎn)而一直拖延到1994年才迎來首飛，這型氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)采用了分級(jí)燃燒循環(huán)方案，采用相同設(shè)計(jì)方案的只有當(dāng)時(shí)還在服役的航天飛機(jī)的主發(fā)動(dòng)機(jī)，堪稱可以直接對(duì)標(biāo)當(dāng)時(shí)世界上最先進(jìn)水平，推力水平也要高于歐空局同時(shí)代同類產(chǎn)品。H2火箭采用二級(jí)構(gòu)型，一級(jí)使用LE-7發(fā)動(dòng)機(jī)搭配固體助推器，二級(jí)保持LE-5不變，芯級(jí)直徑增加到4米，運(yùn)力再次實(shí)現(xiàn)翻倍，國(guó)產(chǎn)化率為100%，是日本真正的“國(guó)貨之光”。為了實(shí)現(xiàn)全部國(guó)造，日本在H2火箭研發(fā)上燒掉了25億美元。這可是上世紀(jì)80年代的25億美元，這個(gè)錢有多值錢呢，這么說吧，1985年，我國(guó)的外匯儲(chǔ)備是26.44億美元。如此不計(jì)成本的燒錢，按照日本當(dāng)時(shí)公布的目標(biāo)就是：最大可靠性和最小發(fā)射成本。

但是理想與現(xiàn)實(shí)之間的鴻溝終于還是過大了。實(shí)際情況是日本國(guó)內(nèi)的航天市場(chǎng)根本就支撐不起H2這個(gè)運(yùn)力的運(yùn)載火箭的發(fā)射任務(wù)，即使H2能滿足的發(fā)射任務(wù)需求再多樣化，支持一箭多星的湊單，國(guó)內(nèi)發(fā)射任務(wù)也差不多還是一年一發(fā)的發(fā)射量。既然國(guó)內(nèi)支持不了，那只能嘗試去國(guó)際市場(chǎng)接單，但由于氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)昂貴的使用和發(fā)射成本以及追求全國(guó)產(chǎn)化的執(zhí)念作祟，H2的單次發(fā)射成本高達(dá)1.5億美元，這個(gè)發(fā)射費(fèi)用比當(dāng)時(shí)歐美的平均發(fā)射費(fèi)用高50%，是俄羅斯發(fā)射費(fèi)用的2倍。如此高的發(fā)射費(fèi)用加上個(gè)位數(shù)的發(fā)射樣本，讓原計(jì)劃要去國(guó)際發(fā)射市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的H2只能成為看客。好巧不巧，1998年和1999年，H2火箭在5次成功發(fā)射記錄后，迎來了兩連敗，發(fā)射成功率一下從100%降到了71%，這下連高可靠性的“人設(shè)”也打破了，變成了“最低可靠性和最高發(fā)射成本”。

痛定思痛下，日本政府叫停了H2的后續(xù)生產(chǎn)任務(wù)，轉(zhuǎn)而發(fā)展其改進(jìn)型H2A火箭，H2A不再執(zhí)念于國(guó)產(chǎn)化，轉(zhuǎn)而追求降本增效，在保持H2大方案不變的前提條件下，一邊繼續(xù)點(diǎn)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的科技樹，一邊改進(jìn)設(shè)計(jì)。H2A的零件數(shù)減少了20%，很多組件直接采購(gòu)歐美成熟產(chǎn)品或者從航天級(jí)降級(jí)為民用級(jí)，通過高自動(dòng)化減少人力成本，縮短準(zhǔn)備和發(fā)射周期，從火箭進(jìn)場(chǎng)到發(fā)射整個(gè)準(zhǔn)備周期縮短為20天，使發(fā)射成本終于降到了與歐美國(guó)家相當(dāng)?shù)乃?。氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)方面，H2A的一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)LE-7A在原方案基礎(chǔ)上進(jìn)行了大幅改進(jìn)，焊縫從98處減少為8處，使可靠性和重量指標(biāo)都得到了優(yōu)化，二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)LE-5B也從噴管部分膨脹循環(huán)升級(jí)到了燃燒室部分膨脹循環(huán)，在保持比沖不變的情況下，推力有所提升。H2A還引入了模塊化搭配理念，可以根據(jù)發(fā)射任務(wù)需求，靈活搭配不同數(shù)量的大、小固體助推器和液體助推器，也可以增加第三級(jí)。H2A從2001年首飛開始至今已完成了40多次發(fā)射任務(wù)，終于在發(fā)射成本與可靠性上達(dá)成了一個(gè)比較好的平衡，成為了日本航天的金字名片，還發(fā)展出了重型的H2B火箭。

2021年10月26日，在種子島發(fā)射中心，H2A火箭將本國(guó)的“準(zhǔn)天頂”衛(wèi)星發(fā)射升空

H3作為H2系列火箭的續(xù)作，更像是H2B的放大版，芯級(jí)直徑達(dá)到5米，一步跨入了大型火箭行列。一級(jí)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)升級(jí)為了推力更大的LE-9，采用與LE-5B相同的膨脹循環(huán)技術(shù)，是史上推力最大的膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，首開世界范圍一級(jí)主發(fā)動(dòng)機(jī)使用這種循環(huán)的先河，在氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，日本算是把能點(diǎn)的技能點(diǎn)都點(diǎn)滿了。因?yàn)長(zhǎng)E-9的研制問題，H3的首飛從2020年一路拖延到了2023年年初，這次的發(fā)射中止將再次使首秀后延。雖然單項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)看起來都在一線水準(zhǔn)，但H3的綜合運(yùn)力并不突出，其地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力在6噸上下，只與我國(guó)上一代的長(zhǎng)3B相當(dāng)。堅(jiān)定的一條路跑到黑的日本運(yùn)載火箭，似乎把路越走越窄了。

扒完了日本大推力運(yùn)載火箭50多年的發(fā)展歷程，我們可以看出，日本火箭遭遇的發(fā)展困境更多的來自于體質(zhì)與決策的原始性缺陷，小步快跑的迭代發(fā)展模式固然值得借鑒，但死守氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)一條道跑到黑的技術(shù)發(fā)展路徑，是與日本本國(guó)太空發(fā)射市場(chǎng)的規(guī)模以及全球太空發(fā)射市場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)相背離的，這才是造成如今日本火箭技術(shù)越先進(jìn)，運(yùn)輸能力越差，市場(chǎng)越小的根本原因。路走錯(cuò)了不要緊，及時(shí)回到正途為時(shí)未晚，但到目前為止仍然沒有看到日本火箭技術(shù)轉(zhuǎn)向的任何跡象。

有道是條條大路通羅馬，萬一也能走通呢？

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