日本火箭发展的过去和未来

日本的航天发展始于纯粹的国内生产

“火箭”这个词可能会给人一种巨大的印象，但日本的太空开发是从“铅笔火箭”开始的，它的长度只有23厘米。

[照片]糸川教授和铅笔火箭
图片来源：JAXA

日语中的“火箭”指的是搭载人造卫星的“飞行器”，同时指的是产生推力的“发动机”本身。这有点令人困惑，但火箭是一种使用火箭发动机发射卫星的运载工具。

那么什么是火箭发动机？简单来说，这是一种通过高速喷射推进剂产生推力的发动机。用于发射的发动机通过称为“燃烧”的化学反应产生喷射所需的高温高压气体，因此它们也被称为“化学火箭”。

[图表1]火箭有两种类型：使用固体推进剂的固体火箭（左）和使用液体推进剂的液体火箭（右）。两者都是通过高速喷射燃烧气体来获得推力

燃烧需要氧气。对于在地面上行驶的汽车来说，它只需要携带燃料（汽油），因为它可以利用空气中的氧气，但飞到没有空气的地方的火箭则需要在携带燃料的同时携带氧化剂。铅笔火箭遵循同样的原理，尽管它们只有铅笔大小，但它们仍然是优秀的火箭。

1955年，东京大学糸川秀夫教授进行了铅笔火箭的水平发射实验。火箭之所以被横向发射而不是向上发射，是因为当时的日本不具备用雷达跟踪火箭的技术。通过排列几张薄纸，测量火箭突破的位置和时间，就可以确定火箭是如何飞行的。

[照片]2005 年铅笔火箭节上重现的水平发射实验。此次活动是为了纪念水平发射试验50周年而举行。

有关此主题的更多信息，请访问日本宇宙航空研究开发机构 (JAXA) 网站“铅笔火箭的故事”很详细，有兴趣的可以参考一下。

继铅笔之后，火箭逐渐变大，出现了“baby”和“K（kappa）”。这导致了L（Lambda）系列，并在1970年，L-4S火箭成功发射了日本第一颗人造卫星大隅。日本成为继前苏联、美国、法国之后世界上第四个发射卫星的国家。这是在克服了四次失败的发射之后取得的巨大成就。

此后不久，随着“M”系列的发射，我们开始了全面的卫星发射。第一代 M-4S 成功将日本第一颗科学卫星 Shinsei 送入轨道（1971 年）。能力进一步提高的第四代M-3SII向哈雷彗星发射了两个探测器PRESTO和Suisei（1985年）。

[图表2]日本研制的固体火箭
图片来源：日本宇宙航空研究开发机构

从Pencil到M系列的火箭都是使用固体推进剂的“固体火箭”。除了这些火箭之外，还有使用液体推进剂的“液体火箭”，一般认为固体推进适合小型火箭，液体推进适合大型火箭，但M-3SII是世界上第一个使用全固体级火箭成功逃离地球引力场的火箭。

第五代“M-V”火箭的完成是日本固体火箭的巅峰之作。虽然4号机组发射失败，但该公司成功发射了火星探测器希望号（1998年）和小行星探测器隼号探测器（2003年），为日本空间科学的发展做出了贡献。

M-V 于 2006 年不幸停产。目前，作为后继者的“Epsilon”火箭的开发正在进行中，但考虑到这一点科学家访谈（JAXA 森田教授）中，请参考。

[照片]M-V 火箭
图片来源：JAXA

实现世界最高水平的可靠性

到目前为止，我们看到的是东京大学工业科学研究所以及后来的空间与宇航科学研究所（ISAS）固体火箭的发展。另一方面，日本还开发了液体火箭。国家空间发展局（NASDA）负责这项开发。它成立于 1969 年，即 ISAS 成功发射卫星的前一年。^*1

NASDA 的目标是开发液体火箭，但液体发动机的结构比固体发动机更复杂，需要更多的时间和金钱来开发。难度很大，甚至有失败的可能。尤其是在发展历史短、技术积累少的日本。

为此，NASDA选择了从美国引进技术的道路。重要且高度机密的部件将被视为黑匣子，因此如果出现问题，日方无法单独解决，但可以让火箭更快地完成。通过获得实际的发布经验，您还可以获得宝贵的操作技能。

“N-I”火箭的开发始于 1970 年，融合了美国“Delta”火箭的技术。五年后，即 1975 年，第一架飞机诞生。此后，后继飞机 N-II 于 1981 年首次飞行，而当前的 H 系列火箭 H-I 的尺寸继续快速增长。

[图表3]日本研制的液体火箭
图片来源：JAXA

下一个液体火箭H-II是第一个在国内生产的。 H-I已经配备了国产第二级发动机，但H-II还自主开发了更大的一级发动机。开发工作于 1986 年开始，虽然遇到了一些困难，包括发动机爆炸，但测试飞机于 1994 年成功发射。

然而，真正的“分娩之痛”实际上还没有到来。经过总共三次试射，H-II 似乎飞行顺利，但在 1998 年第六次发射 5 号机时，第二级发动机出现了问题。由于燃烧时间短，卫星未能进入预定轨道。^*2

期待已久的8号机组于1999年发射升空，但这一次第一级发动机在飞行过程中异常停止。由于没有希望发射卫星，火箭根据地面指令引爆。纯国产火箭陷入了连续两次失败的困境。

除了性能之外，可靠性对于火箭也很重要。 95%左右的发射成功率通常被认为是火箭的良好标准。但H-II两次失败，成功率降至714%。

另一方面，N-II和H-I的成功率为100%。仅从这一点来看，你可能会认为走纯粹的国内路线是一个错误，但从某种意义上说，由于已经从美国引进了已经建立了可靠性的技术，所以失败的次数会减少，这是有道理的。既然他们选择开发自己的技术，成功率暂时下降或许是不可避免的。

H-II 原定接下来发射 7 号，但经过深思熟虑后取消了。决定将重点放在 H-IIA 火箭上，这是 H-II 的改进版本，自 1996 年以来一直在开发。

H-IIA于2001年发射了一枚测试飞机。2003年6号机发生了第一次失败，但此后不断取得成功，目前（截至2013年4月）已发射了总共22枚火箭，成功率高达955%，使其成为世界上最可靠的火箭之一。 2009年，拥有两个一级发动机的H-IIB火箭完成，这也是连续第三次成功。

[照片]H-IIB 火箭
图片来源：JAXA

产品再好，贵了也卖不出去

虽然 H-IIA/B 火箭已经建立了高水平的可靠性，但迄今为止在运行过程中还是出现了一些问题。

最严重的问题是成本高。虽然飞机之间存在差异，但每架H-IIA的发射成本约为100亿日元。 H-IIA迄今为止已发射了22颗H-IIA，但全部都是国家卫星，即满足公众需求（H-IIA 21也搭载了一颗韩国卫星作为主卫星，但与日本主卫星同时发射）。

[照片]SpaceX 的猎鹰 9 号火箭
图片来源：SpaceX

价格对于从私营部门接收卫星发射订单非常重要。美国航天企业SpaceX开发的猎鹰9号火箭，近地轨道发射能力约为13吨，与H-IIA属于同一级别，但价格只有其一半左右，为5400万美元（约合51亿日元，1美元=94日元）。即使猎鹰9号的发射记录仍然有限，但如此低廉的价格对客户来说非常有吸引力。

H-IIA是政府开发的火箭，但从2007年第13号火箭开始，发射业务已转移给三菱重工。这样做是为了降低私营部门的成本，但 H-IIA 设计对此有限制。为了大幅降低成本，有必要开发一种设计完全不同的新型火箭。

正在考虑的是下一代核心火箭（H-X）。^*3

有必要纳入私人需求，因为仅靠公众需求很难继续启动项目。以日本为例，该国每年只有一到三颗卫星，而且每年的数量都有所不同。如果火箭生产线有空间的话，盈利能力就会恶化，所以我们希望尽可能多地接受私营部门的卫星发射订单，这样我们就能不断地拥有四架左右的飞机。

因此，H-X 需要成本更低且更可靠。

虽然 H-X 开发计划尚未开始，但 JAXA 一直着眼于未来进行各种案头研究。研制新型大型火箭需要很多年的时间。 H-X将采用何种形式可能会在未来通过全国讨论来决定，但现在重要的是要进行技术考虑，以减少开发失败的风险。

[图5]考虑飞机配置的示例（左上）。通过标准化第一级和第二级并结合小型和大型助推器，我们可以覆盖从中型到超大型的广泛范围。

上图是日本文部科学省“日本宇宙航空研究开发机构小组委员会（第37届）”提交的JAXA材料中出现的H-X研究的示例。这只是一个例子，并不意味着它实际上会变成H-X，但这个研究例子表明，该概念基于通用的第一级和第二级，可以灵活添加助推器以满足广泛的发射需求。

火箭的研制，关键是发动机。如上所述，大型液体发动机的结构极其复杂。开发新火箭需要时间的原因是开发新发动机需要时间。

如果发动机的开发被推迟，火箭的完工也会被推迟。规格的任何变化都会影响火箭的整体设计。由于同时启动火箭和发动机开发存在很大的技术风险，JAXA已经开始了下一代第一级发动机的技术演示。这是一个名为“LE-X”的项目。

具有载人能力的下一代发动机

液体发动机是燃料和氧化剂都是液体的发动机。这种组合有多种类型，每种都有其自身的特点，但具有最佳燃料效率（比冲）的组合是使用液氢（LH2）作为燃料和液氧（LOX）作为氧化剂时。 H-II 系列的第一级和第二级均使用 LH2/LOX 发动机。

液体发动机通过涡轮泵对燃料和氧化剂加压，在燃烧室中将它们混合并燃烧，从而产生推力。根据涡轮泵的驱动方法（循环），液体发动机分为四种类型，如下表所示。

无论采用哪种方法，涡轮泵的涡轮均由推进剂气体驱动。表格的顶部和底部显示了使用在辅助燃烧室中燃烧的气体和不燃烧它的情况之间的差异，并且左侧和右侧显示了用于驱动的​​气体是返回到燃烧室还是排出到外部之间的差异。

一般情况下，上循环从燃烧气体中获得较大的涡轮功率，因此容易产生较大的推力。也就是说，可以说适合第一级发动机。另外，在右侧的循环中，部分推进剂气体被丢弃，因此比冲降低。我不能肯定地说，但趋势是，当用作上级发动机时，左侧循环更具优势。

日本开发的第一台LH2/LOX发动机是H-I第二级发动机“LE-5”。从这台LE-5开始，第二级发动机演变为“LE-5A”（H-II）和“LE-5B”（H-IIA/B）。另一方面，还开发了推力更大的第一级发动机，后来发展为LE-7（H-II）和LE-7A（H-IIA/B）。

[图表7]LE系列包括2级LE-5系列和1级LE-7系列
图片来源：日本宇宙航空研究开发机构

LE-5 使用相对容易开发的“气体发生器”循环，但 H-II 的 LE-7 接受了“两级燃烧”循环的挑战。尽管两级燃烧有望具有高性能，但由于其结构复杂，开发难度较大。除了LE-7系列之外，将两级燃烧循环投入实用的LH2/LOX发动机仅有美国航天飞机和前苏联的Energia。

然而，正在作为 JAXA 下一代发动机进行测试的 LE-X 使用“膨胀机排气”循环，而不是精心开发的两级燃烧。膨胀机排气是日本独有的循环，已通过 LE-5A/B 投入实际使用。

[照片]LE-X 型号（左）。即使与LE-7A（右）相比，您也可以看到管道等更加简单

瞄准“简单且不会爆炸的发动机”

LE-7A迄今为止从未出现过发射故障，是一款极其可靠的发动机，但两级燃烧循环需要极其精细的控制，因为高温、高压的燃烧气体通过管道。如果供给副燃烧室的推进剂混合比例不正确，很容易超过材料的熔点，因此始终存在爆炸的危险。

然而，在膨胀机排气中，燃烧室被冷却，加热的燃料使涡轮转动，因此没有这样的高温高压部分。可以说，它是一款本质安全的发动机，即使出现问题也不太可能爆炸。而且，由于它是四个循环中最简单的，因此很容易降低成本。 LE-7A 的成本接近 10 亿日元，但据说 LE-X 的成本目标是其一半。

然而，没有二次燃烧室的发动机本来就很难产生大推力。因此，它从未被用于大型第一级发动机，但LE-X提高了燃烧室的吸热效率，并允许涡轮以少量的废气转动，为大推力发动机铺平了道路。这是通过在大型燃烧室的内壁上创建微观凹槽的尖端制造技术实现的。

LE-X 是一个将持续到 2013 财年的项目，预计今年秋季将使用实际尺寸的燃烧室和涡轮泵进行测试。燃烧室和涡轮泵分别进行了测试，尽管没有计划将它们组合成完整的发动机，但该公司表示，它将起到技术演示的作用。

高度安全的发动机不仅适用于卫星火箭，也适用于载人火箭。虽然日本目前还没有研制载人火箭的计划，但作为未来的选择之一，做好准备很重要。当然，开发载人火箭还需要其他技术，但 LE-X 可能是重要的一步。

日本宇航员从种子岛起飞——这一天可能不会在遥远的将来。

作家

大冢稔（大冢稔）

一位技术作家，专门研究电脑、机器人、太空开发等。在一家电力公司担任系统工程师后，他成为一名编辑，然后成为一名自由职业者。他最近的主要著作包括《科学解释人造卫星的原因》（方舟出版社）、《小行星探测器隼鸟的超级技术》（讲谈社 Bluebacks）、《开放空间：发展产业：日本的航天工业卷》。 1''，“利用太空：改变生活方式：日本的航天工业卷。 2”，以及“发展技术：培养人才：日本的宇宙工业卷。 3''（日经 BP 咨询公司）。属于太空作家俱乐部。

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