向H3火箭学习―兼顾灵活性、高可靠性和大幅降低成本的方法和竞争力
2024年2月17日，H3火箭测试机2号机从JAXA种子岛宇宙中心发射升空，按计划飞行并成功将2颗小型副卫星送入轨道。近年来，全球多家企业开始涉足航天事业，H3火箭在日本的航天事业发展中受到了高度期待和关注。
本文对H3火箭的概要、机身构成及其形态以及发射能力等进行介绍。此外，还对H3火箭如何在国际航天业务的需求变化和竞争加剧的背景下实现了灵活性、高可靠性和低廉成本，以及村田制作所（以下简称“村田”）的电子元件为削减成本做出了怎样的贡献进行解说。
在近年来的国际竞争中，除航天领域之外，在多种产品制造和商业领域也经常面临类似的问题。在H3火箭上是如何克服这些难题的呢？在他们一直不变的工作态度、思维方式和举措当中，或许有一些要素能为本站读者的业务提供一些启示或发现。
INDEX
1. 什么是H3火箭？
首先，我们将对H3火箭的概要、机身构成和形态，以及发射能力示例等进行解说。
H3火箭的概要
“H3火箭（H3 Launch Vehicle）”是由三菱重工业株式会社（以下简称为三菱重工）和日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）联合*1开发的下一代火箭。H3火箭的全长约为63m*2，长度接近足球场的宽度（64m），直径约为5.2m，在液氧/液氢火箭当中属于大型火箭。
虽然过去使用的H-IIA火箭具有高可靠性的特点，但它在发射能力和成本等方面存在问题。
因此，H3火箭的目标是成为一款集灵活性、高可靠性和低廉成本三个要素于一体的“易用火箭”，以解决这些问题。由此在保持日本航天运输工具独立性的同时，并通过强化日本在商业卫星发射市场的国际竞争力来维持和强化日本的工业基础。
*1 三菱重工于2014年被JAXA选为负责H3火箭的开发和发射运输服务的主要承包商，并负责管理该火箭的机身开发。
*2 约63m的全长是整流罩为L（长）时的长度。整流罩是位于H3火箭顶部的部件，用于容纳要发射的人造卫星等。此外，如果整流罩为S（短），则总长度为约57m。
H3火箭的构成、形态和发射能力
H3火箭由具有共通的机身设计的以下部位构成机身形态。
- 第1级主发动机“LE-9”的数量（2或3个）
- 固体火箭助推器“SRB-3”的数量（0、2或4个）
- 整流罩的尺寸（L：长、S：短）
H3火箭的一大特点是：通过重新组合这些部件，它可以灵活应对多种尺寸和质量的卫星发射任务。
H3火箭的机身形态是通过上述组合来表现的。
例如，“H3-30S”表示3个LE-9、0个SRB-3（未配备）和整流罩S（短）。最小形态H3-30S能够将4吨或更重的质量发射到太阳同步轨道（500km×500km）。
此外，对于发射到静止轨道或发射更大的卫星，设想使用比H3-22L、H-IIA具有更高的发射能力、能够发射质量为6吨级的大型静止卫星或一次发射多颗小型卫星的“H3-24L”。
通过这种方式，H3火箭能够以理想的形态和成本将从小型到大型的多种卫星灵活地发射到多种轨道。
2. 需要的国际竞争力―H3火箭开发的背景
下面对以高灵活性、高可靠性、低廉成本为目标的H3火箭开发的背景——国际火箭发射价格竞争加剧、需求变化等国际性竞争进行部分解说。
火箭发射中的价格竞争加剧
目前，世界上需要的是更具成本竞争力的廉价火箭。
成本低于H-II火箭的H-IIA火箭也正在进入商业发射市场，已收到来自日本国内外民营卫星公司等的订单。
但是，自2010年代以来，随着美国和欧洲等地的企业进军航天业务，具有成本低、灵活性高等特点的新型火箭在全球纷纷出现，日本的传统火箭已陷入了困境。
近年来，美国的大企业计划凭借目标成本比传统火箭降低近一半的火箭进军商业发射。此外，各国的风险投资企业也正在积极研发新型中小型火箭，可以说是小型卫星发射市场的潜在竞争对手。
卫星发射需求变化及成本问题
近年来，除了对更大卫星的需求外，同时发射数十颗小型卫星的需求也不断增加，产生了对能够以更低的成本发射更大质量和尺寸的卫星的需求。
通信能力的提高和电气推进带来了卫星寿命增加，导致静止卫星的尺寸和质量比传统卫星增加，有时会发射7至8吨的静止卫星（H-IIA火箭向静止转移轨道发射的发射能力可达到大约6吨）。
特别是在通信和广播卫星中，为了提高性能，需要具有更大整流罩的火箭来发射配备的天线比以往更大的卫星。此外，预计未来对支持“卫星星座”的专用配备结构（分配器）的需求将会增加，在“卫星星座”中，一次性发射多个小型卫星并编队运用。
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满足这些要求的大型火箭的发射成本更高。另一方面，从价格竞争的角度来看，需要降低成本。
“以比以前更低的成本发射质量比以前更重的卫星”。H3火箭的开发背景就是需要满足这些相互矛盾的需求。
3. H3火箭挑战的降低成本举措
如上所述，H3火箭在价格竞争和需求变化的背景下具备“灵活性”、“高可靠性”、“低廉价格”这3大要素，是为满足全球市场需求而开发的火箭。“降低成本”是与多种提高卫星运输性能同时提出的，可以说是难题，在此，以“降低成本”为中心，就与H3火箭机身相关的主要举措进行介绍，同时介绍村田制造元件被采用的背景。
在全部阶段大幅降低成本
H3火箭的目标是大幅降低成本，在构想、开发和运用的全部阶段都注意如何尽量降低成本。在每个阶段都坚持不懈地做出了如下所述的努力。
- 构想阶段
基于实现低廉成本的理念，明确对各个组件（元件）的价格要求。针对整个供应链（从材料和元件的采购到制造、库存管理、运输、销售和消费的一系列流程）深入讨论了如何才能降低成本。 - 开发阶段
在设计阶段采用成本较低的规格并开发技术，同时通过改进生产方法来推进降低成本。在设计审核时对成本也进行评估，在推进过程中确保能够实现构想理念中设定的成本。 - 运用阶段
通过火箭及其构成元件的量产、集中采购以及持续不断地提高效率和改进活动，按照致力于大幅降低成本的计划进行运营。
通过3D造型减少LE-9的元件数量和成本
例如，LE-9是H3火箭的第1级主发动机，比H-IIA的主发动机LE-7A具有更大的推进力，在第2级发动机中积累了专有技术的膨胀排气循环*3初次被用作第1级发动机的大推力发动机。
通过按照使用3D打印机的3D造型（Additive Manufacturing）生产的部件，LE-9与传统的LE-7A相比，在组件层面减少了约20%的元件数量。此外，传统喷射器的结构是通过机械加工将多个元件分别制造500个，然后将其连接在一起，再安装到主体上，因此，需要大量的时间和精力进行加工和组装。另一方面，在LE-9中，通过3D打印机对核心部件进行一体式造型，由此使整体成本降低了50%以上。
*3 LE-9采用的膨胀排气循环将作为燃料的液态氢用在燃烧室和喷嘴冷却中，同时将其气化并提高温度，通过由此产生的气体驱动发动机的驱动源——涡轮泵，这是一套很简单的机制。虽然效率不如两级燃烧循环高，但由于不需要预燃器等，简化了结构，并减少了整个发动机的零件数量。此外，它具有本质安全性，即在发生推进剂泄漏或涡轮泵异常等时候，难以出现整个系统断电导致陷入灾难性状态的情况，并且具有不易出现进入异常燃烧状态的特点，可以高水平同时实现高可靠性和低廉价格。
减少SRB-3的连接位置和成本
H-IIA/B火箭的问题在于：第1级机身与固体火箭助推器“SRB-A”的连接方法复杂，连接位置和用于连接的元件数量非常多。
因此，在H3火箭的固体火箭助推器SRB-3中，对与第1级机身之间的连接和分离方法进行了改进，采用了一种更简单的新方法。
以前基于美国电机设计的电机外壳现在已可以在日本国内生产，因此，提高了设计灵活性，并采用了非常适合火箭助推器的机制，实现了简单的连接/分离机构。
由此大幅减少了用于连接和分离的元件数量。通过轻量化提高了性能，并帮助降低了成本。
通过节拍生产提高效率、缩短时间并降低成本
H-IIA火箭以一种被称为单件订购生产的形式生产，即在收到订单后进行生产。
另一方面，在H3火箭中对元件安装、组装、检验和出货的时间进行了均等化，并采用了类似于汽车、飞机等一般工业产品的流水线生产的生产形态。
特别是通过将火箭分为4段的“节拍生产”，采用了同步重复分别进行移动加工的生产方式，努力提高生产效率、缩短生产时间并降低成本。
通过引入非航天元件大幅降低成本
传统火箭的阀门、传感器、电气和电子设备使用的不是一般的元件，而是单独为航天用途而开发的元件。这些航天用途元件的规格特别、生产量小，因此，价格十分昂贵，是实现降低成本的目标的瓶颈之一。
因此，在H3火箭中使用了非航天用途的元件。通过在总数的约90%的元件中引入可靠性高且廉价的非航天用途元件，与使用航天用途元件时相比，实现了大幅降低成本，对同时提高可靠性和降低成本产生了显著效果。
在使用非航天用途元件时，在通过放射线试验进行耐性评估的基础上选择可以使用的元件种类。此外，由于与元件选择标准和安全标准相关，因此对是否适用进行的评估也是由JAXA和民营企业合作进行的。
此外，村田的非航天用途元件也被用在了H3火箭中，为通过各民营企业的技术能力和严格的质量管理实现高可靠性，以及通过优效生产实现低廉价格做出了贡献。