日本“艾普斯龙”运载火箭

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今年9月14日，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）在鹿儿岛县肝付町的内之浦宇宙空间观察所，成功发射了“艾普斯龙”运载火箭，升空后约l小时，搭载的太空望远镜顺利分离，进入预定轨道。这是12年来日本首次发射新型国产火箭。“艾普斯龙”火箭是日本长期致力于固体燃料火箭发展的结果，也是其转变运载火箭发展道路的见证。

日本宇宙开发事业团自1969年创立起，就开始研制运载火箭，目前已研制成功3个系列。第一代M系列就采用了固体燃料技术，在70年代到80年代共发射了12颗科学卫星。1975年，日本引进美国的“雷神”和“德尔塔”火箭技术，研制成功N系列火箭，以液体燃料为主。从1980年7月起，日本开始研制H系列大型运载火箭，目前有H-1和H-2两型。H-2是日本目前最大的运载火箭，采用液体燃料，但助推器采用了固体火箭技术。

日本固体燃料火箭研发至今已有50多年。在美国技术支持下，日本很快获得了液氧煤油发动机生产技术和固体助推器技术。随后，美国又授权日本生产早期固体发动机。在此基础上，日本改进研制了自己的M-5火箭发动机，并于1997年成功发射了具备世界最高性能的大型固体火箭M-5一号机，性能超过美俄的大型固体火箭。美国两次技术转移，让日本火箭技术一跃跨入世界先进行列。实际上，自L-4S火箭开始，日本几乎每次发射都使用固体火箭（有时用作助推器）。频繁的发射，使日本在固体火箭领域以及控制、发射技术等方面都达到世界一流水平。但是M-5火箭高性能造成的高发射成本，不适于商用化，为此，日本自2007年开始研制新一代固体运载火箭“艾普斯龙”。

2013年上半年，“艾普斯龙”完成了最后调试，最初定于8月22日发射，但因发现配线错误而延期。第二次定于8月27日发射，又因火箭所载计算机数据传送到地面控制中心时，出现0.07秒的时间差，自动停止了倒计时，直到9月14日才成功发射。

火箭特点

日本宣称，“艾普斯龙”是2006年停止使用的日本国产固体火箭M-5的后续型号。它比M-5更小，是一种三级固体燃料的小型火箭，采用了H-2火箭上的SRB-A固体助推器和M-5火箭的二三级发动机。火箭全长24米，直径2.6米，重约91吨，能将1.2吨的载荷送入250千米高度地球低轨道，500千米高度地球低轨道的运载能力为700千克，500千米高度太阳同步轨道的运载能力约为450千克。日本宣称，“艾普斯龙”的任务是发射地球轨道探测器，用于观测金星和火星。总的来看，“艾普斯龙”火箭与其它同类火箭相比具有以下特点。

发射准备时间短，但系统环境适应性不高

“艾普斯龙”采用了最新的计算机和自动化技术，并大幅减少了检测工作量，使火箭发射准备时间大为缩短。该火箭的研发负责人森田泰弘称除减少了火箭检测的工作量并减少了工作人员的数量外，“艾普斯龙”从发射台组装到发射的准备周期，也从M-5火箭的42天缩短到7天，“以往需要60人花费3个小时对300处进行发射前检查，‘艾普斯龙’仅由3人（本次发射是5人）操作两台电脑用70秒就可完成。”新系统对载荷的检查也从M-5火箭的9个小时缩短到3个小时。从发射准备时间看，“艾普斯龙”还超过了美国的“飞马座”、“金牛座”和“米诺陶”等固体火箭，也比欧洲的“织女星”大型固体火箭略胜一筹。

但也应该看到，由于过分依赖自动化系统，使得它的环境适应性有所降低。在生产理念上，日本极为重视军民两用科技的研发，例如航天、造船、机械等。但日本擅长的商用科技产品过于注重成本控制，导致可靠性、性能发挥和使用环境上受到一定限制。航天业由于其特殊性，最注重的是可靠性，而不是成本控制，因为太空中的工作条件非常恶劣。一旦个别零件出现故障，极可能导致整个系统失效。因此，各国的航天研发都将可靠性置于首位。而日本恰恰相反，火箭可靠性尚未完善就开始考虑如何提高性能。例如“艾普斯龙”在2013年8月27日的中断发射中，新系统检测到火箭的倾斜度超过了设定值，因而火箭未能发射。但调查结果表明，火箭倾斜度没有问题，感知器也无异常，而是火箭和地面传送数据的线路出了问题。

发射成本低，但运载力有限 为了抢占国际航天市场，日本将降低开发和发射成本作为“艾普斯龙”的重要指标。“艾普斯龙”组装过程中大量使用机器人技术，大大节约工时，因而价格也得到有效控制。据日本共同社报道，“艾普斯龙”的研制费用约为205亿日元（约合人民币12.85亿元），是2006年退役的M-5研发资金的一半，其首发射费用仅有53亿日元，按计划未来将进一步降低到38亿日元甚至30亿日元以下。即使不考虑通货膨胀等因素，“艾普斯龙”单位载荷的发射成本也比M-5火箭降低了1/3，比H-2系列更低。

不过，“艾普斯龙”的运载能力与M-5和H-2火箭相比有所下降，因此日本主要将其作为小型卫星等小载荷的商业化发射工具。例如，日本H-2火箭同步转移轨道运载能力约1到2吨，近地轨道运载能力约10吨；H-2A火箭同步转移轨道运载能力从4到6吨不等，近地轨道运载能力达到12吨。与此相比，“艾普斯龙”近地轨道运载能力只有1.2吨。但由于其低廉的成本，将在国际商业化发射中具有竞争优势。

利用现有火箭技术，但部件集成度不高“艾普斯龙”虽然是全新型号的运载火箭，但其技术已相当成熟。“艾普斯龙”没有研制专用的固体发动机，而是用H-2A和M-5火箭的固体发动机“拼凑”而成。“艾普斯龙”火箭的第一级共用了SRB-A固体发动机，电子设备等诸多系统同样是通用的，考虑到H-2A已经进行过22次发射，H-2B也有4次发射，“艾普斯龙”继承SHB-A助推器的设计提高了第一级的可靠性。“艾普斯龙”的第二级和第三级完全继承了M-5的第二级和第三级，有M-5的7次成功发射做基础，同样提高了可靠性。“艾普斯龙”在其基础上还有所改进和提高。例如，日本研究机构在固体燃料箱上采用了改良材料，提高强度的同时减轻了重量。

但也应该看到，由于基本采用现有技术，火箭整体的集成度不高，使其整体长度和重量都要大于同类火箭，因此该火箭仍有较大改进余地。

火箭飞行精度高，但需要适应性改造

由于“艾普斯龙”采用了精度较高的导航系统和自动化水平先进的控制体系，因此其虽然为固体火箭，但飞行精度较高。为了进一步提高入轨精度，日本宇宙航空研究开发机构还为“艾普斯龙”研制了小型液体推进段，作为“艾普斯龙”的选配部分。由于小型液体火箭发动机研制难度低，它的研发费用不高。根据分析，使用液体推进系统后，“艾普斯龙”的入轨精度将从三级纯固体火箭的500+150千米提高到500+20千米。

发展动因

“艾普斯龙”的研制过程中就有人产生疑问：在已经拥有推力更大的M和H系列火箭后，日本为什么还要发展载荷能力低的“艾普斯龙”呢？

加速火箭技术的发展目前，日本已有的H-2A火箭有5种配置，能发射大型和中型航天器，但用它发射小卫星就大材小用了。研发“艾普斯龙”可使日本运载火箭发展为一个完整系列。对日本而言，固体火箭和从美国引进技术的液体火箭不同，是日本自主开发的成果。此次发射成功，让日本对挺进小型卫星商业发射市场充满期待。

当年M-5火箭被日本宇宙科学研究所抛弃以后，很多人因此失去工作。为此，日本宇宙开发界的人士向政府进言，如果不继续研究固体火箭，日本火箭技术将被其它国家远远抛开，而且固体火箭是将来的洲际导弹技术。鉴于此，日本政府与自民党议员起推动了固体火箭开发工作，安倍晋三对此次“艾普斯龙”发射给予高度评价，称“证明了日本宇宙技术的高度可靠性”，“将来定会助经济发展一臂之力”。

开发先进弹道导弹技术通常，运载火箭由运载器和航天器组成，弹道导弹则是运载器和弹头的组合，它们之间的差别并不大。运载火箭和弹道导弹的转换主要是需要对控制系统和飞行轨道参数进行修改，由运载火箭的争取发射高度，改为弹道导弹的争取发射射程。俄罗斯就多次利用改装的洲际导弹发射商业卫星。共同社也承认，很多国家开发的固体燃料火箭都被用于发射导弹。实际上，在燃料技术方面，自上世纪80年代起，日本固体火箭和美国、苏联先进的固体洲际导弹一样，都采用羟基尾聚丁二烯复合推进剂。而在火箭制造上，日本固体火箭使用的高强度合金钢、碳纤维增强材料以及钛合金等，都是世界上同类材料中性能最好的，这些高价值材料在其它国家通常只用在导弹上。此外在80年代，日本通过研制H-1火箭的三级固体发动机，掌握了用碳/碳复合材料制造耐烧蚀喷管的技术，并通过研制H-2火箭的助推器掌握了特大型摆动喷管技术。日本H-2火箭助推器喷管重1985千克，比美国MX洲际导弹的一级发动机喷管重745千克，而且大得多。此外，在M-5的第三级固体火箭发动机上，日本也采用了与美国MX导弹水平相当的“延伸喷管”技术，与美国一起在这个领域名列前茅。这些关键技术都是通过民用运载火箭发展掌握的，而“艾普斯龙”的开发使日本掌握了快速检测和发射技术，这对于弹道导弹的战场使用至关重要。

降低火箭开发与发射成本

目前，日本的火箭发射最大的难题就是成本过高。M-5火箭就是因成本过高而提前退役，H-2B的发射成本也将近150亿日元（约合人民币9.38亿元），是世界平均发射成本的2倍。对此，日本政府从2013年度起开始推进为期5年的宇宙基本计划，准备大力提高日本空间技术的国际竞争力。使用H-2系列火箭发射小型卫星，不仅降低了发射灵活性，成本更是居高不下。同期日本研究机构发现，液体火箭适于运力较大的发射任务，而固体火箭发射小型载荷时的综合成本更低。日本宇宙航空研究开发机构宣称，通过使用新的小型火箭发射基地和小型火箭，日本的卫星发射成本将会降到以往的一半左右，控制在30亿日元，也就是不到两亿元人民币。这个发射价格在全世界都是很有竞争力的。看到许多中小发展中国家渴望拥有自己的卫星，但无法支付高昂的发射费用，日本就将小型化火箭定为一个发展目标。凭借“艾普斯龙”火箭的成本优势，日本试图从全球商业发射市场抢到一块蛋糕。

提高发射可靠性

日本火箭技术虽然先进，但其发射可靠性一直饱受诟病。1996年日本与美国休斯公司签了发射30颗卫旱的合同，当时被认为是日本H-2航天计划的一次重大胜利。然而，由于H-2火箭的两次发射失败，1999年12月休斯公司终止了合同，这是对日本航天事业的第一次重大打击。与此同时，日本与美国劳拉空间系统公司签订的用H-2A发射10颗卫星的合同也打了折扣，因为H-2两次发射失败让人对H-2A的安全心存疑虑。2000年12月，劳拉空间系统公司解除了两颗卫星的发射合同，以后又提出了更为苛刻的条件：剩下的8颗卫星须在H-2A火箭连续发射成功之后才能发射。这充分说明外界对日本的发射技术不信任。为此，日本希望通过M和H系列火箭中较为成熟和成功的助推器和部件，来提高日本火箭发射的可靠性，从而挽回声誉。这就是日本热衷于使用现成整体部件来拼凑“艾普斯龙”火箭的另一个原因。此外，日本为提高可靠性，还在“艾普斯龙”发射系统上前所未有地使用了网络和自动化技术，以此提高火箭发射的自动化水平和自动检测诊断能力。不过由于该项技术以前未经过实践检验，在首次发射中反而成为两次故障的深层次原因。

军事潜力及威胁

值得注意的是，日本如今在没有任何商业订单的情况下，坚持开发了世界最先进的火箭技术，不能不让人怀疑其潜藏的其它非商业因素。实际上，“艾普斯龙”火箭具有巨大的军事应用潜力。

发射准备便捷，可以随时发射军用卫星

近年来，日本逐渐放宽了对军用卫星等军事用途航天器的限制。例如，从2003年开始，日本发射了光学和雷达成像侦察卫星，近年已建成由4颗卫星组成的侦察卫星系统。其光学和雷达成像卫星的分辨率分别达到0.6米和1米，这一性能已经与美俄最先进的军用侦察卫星相当。在导航方面，日本已经发射“准天顶1号”导航卫星，今后还将发射5颗，建成独立的卫星导航系统。虽然这些卫星性能先进，但卫星组织发射时间长，费用高。“艾普斯龙”这样的小型固体火箭可用于发射多种军用卫星，也可以发射反卫星杀伤装置，特别是其较低的成本和较快的生产速度，对于战时迅速发射补网卫星有很高价值。因为液体火箭发射的卫星多是同步轨道，固体火箭一般只到低轨道，保存简单，发射简单，一次燃料装入可保存3个月，十分符合日本在“有事”时随时发射卫星的需要。2013年夏，“艾普斯龙”和H-2A一起被立为日本国家级“基础火箭项目”，其使命是通过实现随时发射所需卫星，来加强日本安全保障的“独立性”。

相关技术成熟，可快速发展为弹道导弹考虑到技术便捷性和使用成本，现在国际上大多数运载火箭都使用液体燃料，但在导弹中用固体燃料的类型较多。固体火箭的最大价值是可以随时待命发射，且可长期储存，这些优势是洲际导弹尤其重视的。而所谓“智能化”检测，实际上是机动部署洲际导弹所必须具备的功能。“艾普斯龙”发射准备时间短，维护发射人员少，起飞重量和运载能力都和美国MX洲际导弹相当，完全具有成为洲际导弹的可能。

实际上，在“艾普斯龙”改造为弹道导弹所需技术方面，日本早有所准备。日本上世纪就掌握了捷联式惯导技术，可为弹道导弹提供制导。日本还通过打球的方式，利用返回式卫星掌握了弹头再入大气层技术。例如2002年2月，第2枚H-2A火箭鉴定飞行时就搭载了一个试验装置——超高速大气层再入系统实验仪。世界上需要超高速再入大气层技术的器材，除了宇宙飞船和返回式卫星，便是弹道导弹。由于导弹战斗部重返大气层时速度高达十马赫左右，因此弹头不仅要保证不被高温烧毁，还要保证高速落地时的落点精度，所以弹道导弹对此技术的需求更高。由于日本从未宣布宇宙飞船和返回式卫星项目，因此其再入大气层技术的用途很明显。

远程投送能力强，可对我国构成严重威胁“艾普斯龙”此次发射已将小型科学卫星“SPRINT-A”送至预定轨道。这种卫星长宽各约1米，高约4米，重约365千克，将在距地球约1000千米的轨道上运转，这一载荷空间与远程弹道导弹弹头类似。如果从近地轨道的运载能力来看，该火箭要略小于“长征二号”，但其有很强的升级潜力。即使在弹道设计与控制技术不成熟的情况下，从“艾普斯龙”近地轨道运载能力达到1.2吨来看，其改装为弹道导弹后的射程可以在载荷1吨的情况下达到1500-2500千米，如果载荷降低到核弹头要求的最低500千克，射程可达到3000—5000千米，因此将其改造成中程或中远程导弹问题不大。这将对亚洲大部分地区构成威胁。

技术发展隐蔽性强，难以受到国际条约约束

尽管受到《和平宪法》的制约，无法公然迈开发展洲际导弹这一步，但日本还是在走曲线的方式，把导弹技术借运载火箭开发验证。对于日本而言，从运载火箭到弹道导弹的转化是非常容易的，只需要调整弹道参数，并解决弹头再入的防热问题，而日本在材料科技方面完全胜任这一任务。此外，日本先进的电子技术也意味着，如果将其改装成弹道导弹，精度可能会非常高。而经过多次发射，其可靠性也可以得到检验。这样一种寓军于民的“军民两用火箭”，具有很强的隐蔽性，难以受到国际条约约束。

当然，由于为降低技术风险和成本，日本在“艾普斯龙”发展中突出了现有技术集成，这使其体积、重量并非洲际导弹级别。其体重达到91吨，长度24米，几乎两倍于“民兵”3导弹。这也决定了该火箭不能被直接用作机动式洲际导弹，但其作为洲际导弹技术基础的价值，仍不容忽视。