本文原载于《兵器》杂志2024年6月刊，转载时重新进行了二次内容完善及编辑、补充部分插图，以与同好共同分享。个人认为《兵器》是一本专业、客观的军事杂志，推荐持续订阅，丰富自身的军事及政治知识。将家中杂志数字化保存同时进行转载的文章，虽多年份较久，但一是已经足够为普通网友提供专业的军事基础知识，二是想让读者以另一种比较独特的视角审视曾经的事物和观点。

第一枚H-3火箭在垂直厂房完成总装，准备前往发射台进行合练。注意它采用的是黑色涂装的模拟整流罩。

2024年2月17日，日本宇宙航空研究开发机构从鹿儿岛发射中心成功发射了名为试验2号的新一代主力运载火箭H-3。这个型号的第一发试验1号在2023年尝试首飞，但遭到了失败，如今终于实现成功，可以取代现役主力运载火箭H-2A。

H-3火箭虽然研制过程中绞尽脑汁降低发射成本，提高火箭在商业市场上的国际竞争力，但由于技术理念的落后，面对着刚服役就落后的不利局面。

图示：H-3火箭的四种构型，从左到右分别是：不装固体助推器、短整流罩的H3-30S；一对固体助推器、短整流罩的H3-22S；一对固体助推器、长整流罩的H3-32L；两对固体助推器、长整流罩的H3-24L。

日本现役主力运载火箭，是2001年正式投入使用的H-2A系列火箭，而H-2A又是更早型号H-2火箭的改进型。

20世纪80年代日本研制H-2火箭时对其寄予厚望，投入巨资研制了高性能的LE-7氢氧主发动机。LE-7采用类似美国航天飞机主发动机（SSME）的分级燃烧循环方式，具有室压高和比冲高的优势，但结构更复杂、技术难度也很高。当时除了美国SSME和苏联RD-0120发动机外，大型氢氧发动机中仅有LE-7采用这种技术。得益于各种先进技术，尤其是LE-7氢氧发动机的使用，H-2火箭的性能相当出色。

LE-7氢氧主发动机

但研制过程中日元升值导致H-2火箭的发射报价失去竞争力，加之第5次和第7次发射失败，高价格叠加可靠性问题，导致原有的商业订单鸡飞蛋打。日本不得不提前放弃昂贵而不可靠的H-2火箭，开始研制H-2A运载火箭。

1995年H-2A火箭的研制获得批准，设计成一个火箭系列，分为满足迫切需求的基本型和满足潜在需求的增强型，两步走满足日本航天的发射需求。1999年H-2火箭停飞后，H-2A火箭的研制加速。它不再片面追求高技术和高性能，而是优先考虑经济性和可靠性，作为更晚研制的运载火箭，其技术指标反而有所降低。

H-2A运载火箭属于捆绑式两级火箭。

H-2A火箭的主发动机是改进后的LE-7A，它仍是一种分级燃烧循环氢氧发动机，但通过改进制造工艺，简化发动机设计和减少零件数量等多方面措施，显著降低了生产成本并提高了可靠性。H-2A采用模块化和系列化设计，芯级捆绑不同数量的固体助推器调节运载能力，降低了生产成本并简化了发射操作。实现了设计上更为可靠，发射成本降低50%，增强了日本火箭的市场竞争力。

然而，这并没有给日本带来商业订单。欧洲的“阿里安”5火箭已经在国际发射市场上占据先机，俄罗斯廉价的“质子”号和“联盟”号火箭又投入市场竞争，后期还出现美国廉价“猎鹰”火箭的竞争。何况H-2A火箭竞争力的所谓提高，是相对于H-2火箭，和其他国家型号相比，仍然存在发射价格昂贵的问题。

图示：阿丽亚娜-5运载火箭由欧洲航天局及法国国家太空研究中心出资建造，空中客车集团为主要承包商与建造者，于1996年6月4日首次发射。

质子号运载火箭是前苏联第一种非导弹衍生的、专为航天任务设计的大型运载器。

日本还试图推行H-2A火箭的私有化。2008年主承包商三菱重工宣布大幅度降低H-2A的发射价格，并将签约到发射的合同完成时间压缩1/3，但它在国际商业发射市场上仍然举步维艰。H-2A火箭已有的48次发射中，真正的商业发射屈指可数，基本靠日本国内需求维持，发展道路自然越走越窄。

JAXA（日本宇宙航空研究开发机构）对H-2A火箭的商业失败并不甘心，又启动了新一代H-X运载火箭的研制。不仅要满足日本未来发射需求，也要再次进军国际市场。H-X把降低发射成本放到最重要的地位，但JAXA作为传统的国家航天机构，又承担着开发新技术满足未来发展需求的任务，经济性和技术性两个需求是冲突的。

日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）标志

日本虽然是发达国家，而且经济体量一度长期居于世界第二位，但受限于各种因素航天发射市场规模不大，靠自身发射需求无法带动火箭工业的进一步发展，必须跻身国际商业发射市场，利用国际商业订单摊薄研制生产成本，提高火箭工业的竞争力和发展动力。

图示：H-3运载火箭二级火箭正在运往垂直厂房，粉红色斯堪尼亚卡车是日本鹿商海运公司专门从瑞典采购，服务于航天器陆路运输。

经过权衡，JAXA选择了降低成本优先。因为H-2和H-2A火箭的教训刻骨铭心，H-X芯级主发动机放弃了结构复杂、性能高，但价格也极其昂贵的分级燃烧循环方式，提出了称为LE-X的新发动机。

神秘的LE-X发动机首次出现在2009年日本航空宇宙事业本部的论文中，但它的预研甚至可以追溯到2006年。LE-X并非LE-7/7A等大推力分级燃烧循环氢氧发动机的后继，而是另辟蹊径使用了膨胀循环方式。膨胀循环使用燃烧室和喷管的余热加热一部分液氢，形成高温氢气驱动涡轮泵做功，把氢氧推进剂加压注入燃烧室进行燃烧产生推力。

膨胀循环的氢氧发动机总体设计简单，没有传统燃气发生器循环和分级燃烧循环的预燃室，具有低复杂度和高可靠性的优势，其研制和生产成本也低得多。JAXA试图通过应用这种新技术，兼顾新一代运载火箭对可靠性和经济性的要求，实现H-2时代望尘莫及、H-2A时期力不从心的目标，让日本火箭真正具备国际商业竞争力，进军国际商业发射市场。

左图：第一次试飞的H-3火箭正面外观图，整流罩内是ALOS-3先进对地观测卫星。但因为发射失败，卫星损失掉了。右图：第二次试飞的H-3火箭正面外观图，火箭上面级没有改动，但整流罩内换成了一具配重，以免再次失败。

常言道：做熟不做生，人们在生活和工作中本能的倾向于选择自己熟悉和擅长的领域，日本航天在新一代运载火箭的研制中也是如此。虽然从常理分析，液氧煤油二元推进剂组合的经济性很好，实践中美国和苏联都不约而同的研制了大批液氧煤油火箭，但日本自H-2火箭开始，液体火箭发动机研制专注于液氧液氢动力，LE-X继续选择氢氧燃料毫不奇怪，但采用膨胀循环还是相当另类的。

运载火箭使用的膨胀循环氢氧机并不少见，比如美国大名鼎鼎的RL10系列上面级发动机，但RL10发动机的真空推力只有10吨级（约100千牛）。日本也研制了膨胀循环的上面级氢氧发动机LE-5，它的推力也只有约14吨（约140千牛）。但LE-X真空推力达到了140吨级（1410千牛），海平面推力有121吨（1190千牛），甚至比LE-7A发动机的真空推力1098千牛还高，这对换热和涡轮效率提出了极高的要求，是前辈工程师们从未走过的道路。

RL-10液体火箭发动机是美国“土星1号”运载火箭的上面级发动机和通用上面级“半人马座上面级”的主发动机。

为了达到指标，LE-X不仅燃烧室压强高达11.8兆帕，和LE-7A发动机的12.3兆帕相去不远，而且在喷管面积比只有37的情况下，真空比冲还要达到430秒的高性能。

LE-X在设计理念和性能指标上如此激进，倒是符合日本人一条路上精益求精，不撞南墙不回头的性格。LE-X大推力氢氧发动机后来得到了LE-9发动机的正式编号，而且零件数比LE-7A少了20%，以提高发动机可靠性降低生产成本。

H-3火箭使用的LE-9大推力氢氧发动机，与其他国家同类型号相比，确实要简洁很多。

根据2011年日本媒体报道，H-X火箭得到了H-3的编号。根据JAXA和主承包商三菱重工的计划草案，H-3火箭第一级将使用三台氢氧主发动机，具备一台发动机故障时继续将载荷送入轨道的冗余能力。这种全液体的火箭可靠性极高，适合发射载人飞船，而通过捆绑不同的助推器或是芯级，又能灵活调节火箭的运载能力，最大运载能力比此前运力最大的H-2B火箭（H-2A的增强版，主要承担空间站任务）也有一定的提高。

2013年5月日本内阁办公室的空间运输系统委员会批准了H-3火箭项目，要求它发射成本至少比H-2A火箭便宜20%至30%。2014年初日本政府批准了H-3火箭的研制经费，要求基本型H-3-30最早在2020财年首飞。

H-3搭载的日本佳能CE-SAT1E对地观测小卫星，所采用的技术基于著名的EOS 5Dmk.3单反相机。分辨率可以达到1米

H-3搭载的TIRSAT小卫星，是一家私营航天企业的产品，用来测试宇航级非致冷型红外热像仪，重量只有5千克。

2011年的早期报道中，曾提到H-3火箭第一级和第二级使用同一种发动机的想法，但140吨级推力的二级发动机，对于H-3这种运力的火箭来说实在过于巨大，不利于控制入轨精度，这一想法从一开始就停留在纸面上。

H-3火箭第二级备选的小推力发动机包括源自H-2A火箭的LE-5B发动机和新研制的LE-11发动机。后者基于MB-60发动机的研制经验，是一种16吨级推力的膨胀循环氢氧机，而且比冲超过美国最强的RL10B-2发动机。

实际研制过程中，考虑到同时开发两种新型高性能氢氧发动机的技术风险太高，LE-11发动机并未正式启动开发工作，最终选择了改进的LE5B-3发动机。

H-3火箭主发动机技术极为激进，但总体设计相当中庸，是典型的传统一次性火箭方案。H-3火箭芯级沿用了H-2B火箭的5.2米直径，相比H-2A系列的4米直径，显著增加了推进剂加注量，配合两台或三台主发动机充分发挥氢氧发动机比冲高的优势。

H-3火箭的固体助推器SRB-3，源自日本“埃普西隆”小型固体火箭的第一级，它从H-2A系列火箭的固体助推器SRB-A一路发展而来，早已相当成熟。H-3火箭还继承了“埃普西隆”火箭的自动安全检测等创新技术，大大简化了地面检测和发射准备工作。H-3火箭可以灵活捆绑固体助推器，分为无捆绑、捆绑2或4枚助推器的构型。

艾普斯龙运载火箭（Epsilon）是新型三级固体燃料运载火箭，可将1.2吨载荷送入低地球轨道

具体地说，包括无捆绑芯级、3台LE-9发动机的H3-30S型；捆绑两枚SRB-3、芯级2台LE-9发动机的H3-22S型；使用加长整流罩、芯级3台LE-9发动机，并捆绑两枚SRB-3的H3-32L型；使用加长整流罩、芯级2台LE-9发动机并捆绑4枚SRB-3的H3-24L型，地球同步转移轨道运力6.5吨。模块化设计思路和H-2A系列大同小异。

和2014年预算案不同的是，JAXA决定H-3火箭首飞构型为H3-22S，而不是H3-30S。

第二次试飞的H-3火箭，这次两级火箭和上面级都正常工作JAXA的一颗心总算放在肚子里了.

为了控制成本，H-3火箭使用了和H-2家族的很多成熟技术。因此JAXA提出H-3火箭的发射成本减半，但很多人都怀疑这能否实现。主要疑点就是新型主发动机LE-9的使用。

传统膨胀循环发动机驱动涡轮泵后的高温氢气都排入燃烧室，属于典型的闭式循环发动机，而开式膨胀循环是日本航天在LE-5系列发动机上开创的新概念。

日本第一种氢氧发动机LE-5是燃气发生器循环。它的启动部分很有日本特色，液氢在燃烧室壁和喷管壁中受热气化，大部分直接排入燃烧室，而一小部分氢气推动涡轮泵做功后排入喷管，这个启动过程就是开式膨胀循环的雏形。

LE-5A发动机把这一日本特色发扬光大，完全取消了燃气发生器，液氢在燃烧室和喷管受热后产生的高温氢气，多数直接进入燃烧室，一小部分推动涡轮泵做功后排入喷管，这也是开式膨胀循环第一次登上历史舞台。LE-5B也是开式膨胀循环设计，通过优化设计降低了成本和性能，LE-X/LE-9发动机的工作原理和LE5A如出一辙，但涡轮泵使用高性能的超声速涡轮，实现了更高的涡轮效率，让膨胀循环发动机推力突破到百吨级。

H-3火箭剑走偏锋，选择了概念上高可靠性、但研制风险高的LE-9发动机，这是H-3火箭研制中最大的拦路虎。2020年初其他分系统都基本完成研发，而LE-9随后却让H-3火箭的进度拖延了两三年。

第二次试飞的配重称为“火箭验证有效载荷”，它其实就是一个哑铃状的实心金属，重量和ALOS-3卫星相同。

日本拥有最丰富的开式膨胀循环发动机研制和使用经验，但百吨级膨胀循环发动机的研制风险还是太大了。LE-9发动机研制过程中，真空比冲降低到425秒，与此同时真空推力增加到1471千牛（150吨），以满足火箭的运力要求。为了降低LE-9发动机的研制难度，燃烧室压力很早就降低到10兆帕，即使如此发动机的研制也不太顺利。

2017年4月LE-9发动机组件首次开始测试，8月涡轮泵开始进行单元测试，后续发动机按部就班进行测试，但试验结果和进度并不乐观。LE-9发动机在地面测试中连续出现问题：2020年5月25日LE-9的地面试车中，发现燃烧室冷却通道壁变形甚至出现豁口，分析认为这是燃烧不稳定现象导致局部温度过高引发的。

屋漏偏逢连夜雨，发动机氢涡轮泵还出现了严重的共振现象，涡轮叶片出现疲劳裂纹。JAXA被迫放弃3D打印喷注器，换回传统金属喷注器，改进涡轮泵叶片设计，结合降低燃烧室内壁温度等其他措施，总算解决了这两个问题。

图示：2020年2月13日，三菱重工在秋田县试验场进行了H-3运载火箭的一级发动机LE-9的第八次，也是最后一次BFT（Battleship FiringTest）试验，至此BFT试验总共进行了4次双发并联，4次三发并联试验。

考虑到三发并联芯级的振动情况大于预期，出于对LE-9发动机共振隐患的担忧，JAXA特意将首飞火箭构型从芯级三发的H3-30S换为双发的H3-22S。另外，涡轮泵还有转速超标等大大小小的问题，让JAXA伤透了脑筋。

为了解决LE-9发动机的燃烧不稳定和振动等各种问题，JAXA和三菱对LE-9发动机进行了大量的测试和改进，这也导致研制进度反复跳票，H-3的首飞也只好不断延期：先是预定的2020财年发射推迟到2021年，然后又进一步推迟到2022财年乃至更晚。

2022年11月，JAXA终于宣布LE-9发动机完成首飞鉴定试验，此时LE-9发动机进行了累计约11000秒的地面热试车，是最早计划热试车时间2500秒的4倍以上。看来计算机模拟发动机试车还没有想象中成熟。

另外，H-3火箭第一级发动机工作时长可达300秒，但LE-9发动机的长程试车次数却不多，这让人不得不对这种新型发动机的可靠性打一个问号。

相比研制过程一波三折的LE-9主发动机，H-3火箭第二级使用的LE-5B-3发动机更加成熟。它有H-2A火箭几十次发射的经验积累，而且早在2017年6月底就进行了热试车，看起来H-3火箭万事大吉只欠LE-9。

然而，2023年3月7日H-3火箭的首飞发射中，LE-9并没有出问题，成熟的第二级却马失前蹄、未能点火。原因是十分低级的电源短路，导致发动机阀门没能打开，火箭一头扎向大海，这种阴沟翻船的事故实在令人哭笑不得。当然，H-3火箭首飞虽然失败，但并非火箭总体设计或关键技术的致命问题，全面检查排除低级错误后，它的第二次发射能获得成功，其实是顺理成章的事情。

第一次试飞前，H-3在垂直厂房内等待发射窗口。为了保证卫星的环境，将空调通风管引入整流罩内。

H-3火箭全长57米（短整流罩）或63米（长整流罩），其中第一级长度37米、直径5.2米，质量240吨，其中氢氧推进剂质量225吨，持续工作时间约300秒。第二级长度12米、直径5.2米，质量27吨，其中氢氧推进剂质量24.5吨，工作时间约680秒。SRB-3固体助推器全长14米、直径2.5米，地面推力约220吨。

H-3火箭正式的四个构型中，H3-22S构型已经发射成功，H3-24L构型近似，也不至于有什么问题。但芯级三发并联的H3-30S和H3-32SL构型，仍有待通过实际发射的检验。

日本种子岛基地目前有两个发射工位，图中右侧就是用来发射H-3的大型工位，是目前日本规模最大的发射台。

三菱重工曾表示，H-3火箭芯级设计上考虑过最多捆绑8枚SRB-3助推器，这将把H-3火箭的潜在运力提高到前所未有的水平。这意味着即使芯级三发并联的设计不可靠，也能通过增加助推器数量，满足现有的运力需求，全面取代现役的H-2A火箭。

H-3火箭未来将用于发射日本政府和军方的各种卫星，支持国际空间站的货运飞船HTV-X，以及MMX火卫取样返回等深空探测任务，目前已经浮出水面的发射任务就有28次，但全是日本国内的政府军方订单。特别是日本已经参与了美国阿尔忒弥斯载人登月计划，并提出了服务月球门户站的货运飞船HTV-XG。

JAXA计划采用分布式发射方案，两枚升级增强的H3-24L火箭将一艘HTV-XG飞船送到月球轨道。JAXA和总承包商三菱重工公司早在2019年就提出过更具野心的重型H-3火箭方案，总体设计类似于美国的重型德尔塔Ⅳ火箭。通过并联三个芯级，达到近地轨道运力28.3吨，奔月轨道运力11.3吨。如果第二级改用性能更强的LE-11发动机，一枚重型H-3火箭就能把HTV-XG飞船送往月球轨道。

火箭离开之后，空下来的垂直厂房。左右两侧的多轮车是用来把火箭运往发射台的特制拖车。

H-3火箭足以满足日本当前和未来很长时期的发射需求，但JAXA研制H-3火箭的主要目的，是开发新技术维持日本火箭研制队伍，以及降低成本争取国际商业发射订单。现在看来，后者是不合格的。H-3是一种很传统的一次性火箭，JAXA和三菱想尽办法，总算把H-3火箭的发射成本降低到H-2A火箭的一半。但随着猎鹰九号为代表的重复使用火箭的出现，一次性火箭在技术理念和路线上都落后了。

H-3只是追上了一次性猎鹰九号的价格水平，但火箭复用进一步带来更低的发射成本，导致H-3并没有竞争力。火箭复用技术的实用化，还意味着运载火箭很容易实现高周转，传统一次性火箭通过扩大生产线追赶，不仅费时、费力而且沉没成本极高。复用火箭回收后进行检测，相比一次性火箭寥寥无几的遥测数据，能更好地了解火箭的飞行状态和潜在问题，通过优化改进设计进一步提高火箭的可靠性。

总体说来，虽然JAXA在H-3火箭上几乎做到了一次性火箭的极致，但还没发射，在技术理念上就已经过时，堪称是21世纪运载火箭中的加拉帕戈斯象龟。

H-3火箭固体助推器分离试验，所采用的并不是实体助推器，而是配重模拟器。

H-3火箭固体助推器正在准备进行分离试验，注意下方设置了缓冲垫，保证助推器落地后不会造成风险。

H-3论证阶段瞄准的是大型静止轨道通信卫星，但十年铸一箭之后，随着低轨道互联网通信星座的蓬勃发展，静止轨道通信卫星市场十分萧条，即使H-3火箭能打价格战拿下订单，整个市场规模极度萎缩后也没多大价值了。

迄今为止，H-3火箭只有国际海事卫星组织的一份意向合同，当年日本畅想的研制廉价新型一次性火箭争夺市场，利用国际发射需求带动日本火箭工业发展的美好前景，早已是遥不可及的白日梦。

H-3火箭发射成功后，将取代H-2A火箭承担日本航天发射任务。日本航天国内需求有限，H-3火箭的性能不成问题，其发射成本对比H-2A火箭减半，也是很了不起的成绩。从时间上说，也不能批评JAXA前瞻规划有什么问题。

发射工位进行合练的H3火箭

2003年H-2A火箭发射情报收集卫星失败，让JAXA最早有了研制新型火箭的念头，H-X火箭总体方案定型，已经是2009年前后的事情，而H-3火箭早在2013年就开始正式立项研制。此时“猎鹰”9号火箭刚刚开始海上溅落回收试验。难度较低的首次陆上着陆成功，要等到2015年12月。那段时间里，SpaceX公司对回收成功率也没多大信心。“猎鹰”9号火箭一级回收复用成熟，要等到2018年前后，此时H-3火箭总体方案早已定型，不可能改弦更张推翻原有设计。