Vulcan Centaur — это двухступенчатая одноразовая ракета- носитель большой грузоподъемности, разработанная United Launch Alliance (ULA). Он главным образом предназначен для удовлетворения потребностей в запусках в рамках правительственной программы космических запусков национальной безопасности (NSSL) для использования Космическими силами США и разведывательными агентствами США для запуска спутников национальной безопасности. Он заменит обе существующие системы запуска тяжелых грузов ULA ( Atlas V и Delta IV Heavy ) в связи с их выходом на пенсию. Vulcan Centaur также будет использоваться для коммерческих запусков, включая заказ на 38 запусков от Kuiper Systems .
Разработка ракеты Vulcan началась в 2014 году, главным образом в ответ на растущую конкуренцию со стороны SpaceX и требование о поэтапном отказе от российского РД-180, используемого на Atlas V. Первоначально запланированный на 2020 год первый полет программы был отложен более чем на три лет из-за проблем с разработкой двигателя БЕ-4 и нового разгонного блока «Кентавр». [13] Vulcan Centaur впервые был запущен 8 января 2024 года, успешно доставив лунный посадочный модуль Peregrine от Astrobotic Technology , первую миссию в рамках программы НАСА Commercial Lunar Payload Services (CLPS). [14]
Vulcan — это первая новая разработка ULA по разработке ракет-носителей с тех пор, как ULA была образована в 2006 году в результате слияния компаний Lockheed Martin и Boeing , занимающихся разработкой ракет-носителей . Он адаптирует и развивает технологии, которые были разработаны для ракет Atlas V и Delta IV программы EELV ВВС США . Топливные баки первой ступени содержат жидкий метан и жидкий кислород, а не жидкий водород и жидкий кислород , как у Delta IV . [15]
Верхняя ступень Вулкана — Centaur V , модернизированный вариант Centaur III , использовавшийся на Atlas V. [16] [17] Предыдущие планы предусматривали, что Centaur V в конечном итоге будет модернизирован с использованием технологии Integrated Vehicle Fluids , чтобы стать усовершенствованной криогенной усовершенствованной ступенью ( ACES), но впоследствии оно было отменено. [18] В свое время ULA планировала провести для Вулкана сертификацию человеческого рейтинга , чтобы разрешить запуск пилотируемых кораблей, таких как Boeing CST-100 Starliner или будущую версию космического самолета Sierra Nevada Dream Chaser . [3] [18] [19] [ нужно обновить ]
Ракета-носитель Vulcan имеет внешний диаметр 5,4 м (18 футов) и рассчитана на работу двух двигателей Blue Origin BE-4 и жидкого метана. [20] В сентябре 2018 года, после конкуренции с Aerojet Rocketdyne AR1 , BE-4 был выбран для питания первой ступени Vulcan. [21]
К первой ступени попарно можно присоединить до шести твердотопливных ракетных ускорителей (SRB) GEM-63XL , что обеспечит дополнительную тягу в течение первой части полета и позволит шести-SRB Vulcan Centaur запустить полезную нагрузку большей массы, чем большинство способный Atlas V 551. [9] [22] [23] [24]
Vulcan Centaur имеет четырехзначное обозначение для каждой конфигурации, в котором первый символ представляет первую ступень машины; Вулкан обозначается буквой «V». Второй персонаж показывает верхнюю ступень; Кентавр имеет обозначение «С». Третий символ представляет количество SRB, прикрепленных к Vulcan; «0», «2», «4» или «6». Последний символ представляет конфигурацию длины обтекателя полезной нагрузки, которая обозначается буквой «S» (стандарт; 15,5 м (51 фут)) или «L» (длинный; 21,3 м (70 футов)). [25] Например, «VC6L» будет представлять собой первую ступень Vulcan, разгонный блок Centaur, шесть SRB и обтекатель длинной конфигурации. [25] Самый мощный Vulcan Centaur будет иметь первую ступень Vulcan, верхнюю ступень Centaur с двигателями RL10CX с удлиненным соплом и шестью SRB. [26]
Грузоподъемность Vulcan Centaur следующая: [27]
Полезная нагрузка МКС находится на круговой орбите длиной 407 км (253 мили) с наклонением 51,6 °; полезная нагрузка для SSO предназначена для круговой орбиты длиной 555 км (345 миль) с наклонением 98,75 °; полезная нагрузка на MEO предназначена для круговой орбиты длиной 20 368 км (12 656 миль) с наклонением 55 °; полезная нагрузка на GEO предназначена для круговой орбиты длиной 36 101 км (22 432 мили) с наклонением 0 °; полезная нагрузка GTO предназначена для дельта-V со скоростью 1800 м / с, перигеем 185 км (115 миль) и апогейной орбитой 35 786 км (22 236 миль) с наклонением 27 °; Полезная нагрузка на «Молнию» составляет 1203 км (748 миль) по перигею и 39 170 км (24 340 миль) по орбите в апогее с наклонением 63,4 °.
Эти возможности обусловлены необходимостью удовлетворения требований NSSL и возможностью дальнейшего роста. [5] [28]
Vulcan Centaur с шестью твердотопливными ракетными ускорителями может вывести на низкую околоземную орбиту 27 200 килограммов, почти столько же, сколько трехядерный Delta IV Heavy. [29]
ULA рассмотрела ряд концепций ракет-носителей за десять лет, прошедших с момента основания компании в 2006 году. Были предложены различные концепции производных ракет на основе линеек ракет-носителей Atlas [30] и Delta [31], которые они унаследовали от своих предшественников. хотя в конечном итоге ни один из них не был построен. [ нужна цитата ]
В начале 2014 года геополитические и политические соображения США привели к тому , что ULA попыталась рассмотреть возможность замены поставляемого Россией двигателя РД-180 , используемого на ракете-носителе первой ступени Atlas V. Такие события, как аннексия Крыма Российской Федерацией в феврале 2014 года, подчеркнули, что полагаться на иностранное оборудование для запуска критически важных космических кораблей национальной безопасности может быть нежелательно. Официальные контракты на исследования были заключены ULA в июне 2014 года с рядом поставщиков ракетных двигателей в США. [32] ULA также столкнулась с конкуренцией со стороны SpaceX, которая тогда считалась влияющей на ее основной рынок национальной безопасности военных запусков США, и к июлю 2014 года Конгресс США обсуждал вопрос о том, следует ли законодательно запретить будущее использование двигателя РД-180. [33] [34]
В сентябре 2014 года ULA объявила, что заключила партнерство с Blue Origin для разработки двигателя BE-4 на жидком кислороде ( LOX ) и жидком метане (CH 4 ) для замены РД-180 на новом ускорителе первой ступени . Двигатель разрабатывался компанией Blue Origin уже третий год, и ULA заявила, что ожидает, что новая ступень и двигатель начнут летать уже в 2019 году. [35] Два двигателя BE-4 с тягой 2400 килоньютон (550 000 фунтов силы ) Двигатели должны были использоваться на новой ракете-носителе. [32] [36] [35] Месяц спустя ULA реструктурировала процессы компании и рабочую силу с целью сокращения затрат. Компания заявила, что преемник Atlas V объединит существующие Atlas V и Delta IV с целью снизить вдвое стоимость ракеты Atlas V. [37]
В 2015 году ULA анонсировала ракету Vulcan, предложив постепенно заменить ею существующие аппараты. [15] Ожидалось, что развертывание Vulcan начнется с новой первой ступени, основанной на диаметре фюзеляжа и производственном процессе Delta IV, и первоначально предполагалось, что в качестве альтернативы будут использоваться два двигателя BE-4 или AR1 . Второй ступенью должен был стать существующий Centaur III, уже использовавшийся на Атласе V. Более позднюю модернизацию, Advanced Cryogenic Evolved Stage (ACES), планировалось ввести через несколько лет после первого полета Вулкана. [15] ULA также представила концепцию дизайна для повторного использования ускорительных двигателей Vulcan, конструкции тяги и авионики первой ступени, которые могут быть отделены как модуль от топливных баков после отключения ускорительного двигателя ; модуль снова войдет в атмосферу за надувным тепловым экраном. [38]
В течение первых нескольких лет совет директоров ULA ежеквартально принимал обязательства по финансированию разработки Vulcan Centaur. [39] По состоянию на октябрь 2018 года [обновлять]правительство США выделило около 1,2 миллиарда долларов США в рамках государственно-частного партнерства на разработку Vulcan Centaur, будущее финансирование ожидается в ожидании контракта национальной безопасности на космический запуск с ULA. [40]
К марту 2016 года ВВС США (USAF) выделили до 202 миллионов долларов США на финансирование разработки Vulcan. ULA еще не оценила общую стоимость разработки, но генеральный директор Тори Бруно отметил, что «новые ракеты обычно стоят 2 миллиарда долларов США, включая 1 миллиард долларов США за основной двигатель». [39] В марте 2018 года Тори Бруно заявил, что до этого момента проект «Вулкан-Кентавр» «на 75% финансировался из частных источников». [ количественная оценка ] [41] В октябре 2018 года после запроса предложений и технической оценки ULA получила 967 миллионов долларов США на разработку прототипа системы запуска Vulcan в рамках программы космических запусков национальной безопасности . [40]
В сентябре 2015 года было объявлено, что производство ракетных двигателей БЕ-4 будет расширено для увеличения производственных мощностей для испытаний. [42] В январе следующего года ULA разрабатывала две версии первой ступени Vulcan; Версия BE-4 имеет диаметр 5,4 м (18 футов), что позволяет использовать менее плотное метановое топливо. [20] В конце 2017 года разгонный блок был заменен на более крупный и тяжелый Centaur V, а ракета-носитель была переименована в Vulcan Centaur. [41] В мае 2018 года ULA объявила о выборе двигателя RL10 компании Aerojet Rocketdyne для верхней ступени Vulcan Centaur. [43] В сентябре того же года ULA объявила о выборе двигателя Blue Origin BE-4 для первой ступени Vulcan. [44] [45] В октябре ВВС США опубликовали соглашение об обслуживании запуска NSSL с новыми требованиями, отложив первоначальный запуск Vulcan до апреля 2021 года после более ранней отсрочки до 2020 года. [46] [47] [48]
В августе 2019 года части мобильной пусковой платформы (MLP) Vulcan были перевезены [49] в Центр обработки космических полетов (SPOC) возле SLC-40 и SLC-41 , мыс Канаверал , Флорида . MLP состоит из восьми секций и движется со скоростью 3 мили в час (4,8 км/ч) на железнодорожных тележках, его высота составляет 183 фута (56 м). [50] В феврале 2021 года ULA отправила первый завершенный ускоритель ядра Vulcan во Флориду для испытаний первопроходцев перед дебютным запуском Vulcan. [51] В течение всего года продолжались испытания ракеты-носителя Pathfinder. [52] [53]
В 2019 году первым полетом Vulcan Centaur было объявлено о запуске лунного посадочного модуля Peregrine от Astrobotic Technology . [54] ULA объявила запланированную дату запуска в начале 2021 года. [55] [36] К декабрю 2020 года запуск был отложен до 2022 года из-за влияния на график поставки основного двигателя BE-4 с опозданием из-за технических проблем. [56] [57] В июне 2021 года Astrobotic сообщила, что Перегрин не будет готов вовремя из-за пандемии COVID-19 , что привело к задержке миссии и первого запуска Vulcan Centaur; Дальнейшие задержки Peregrine перенесли запуск Vulcan на 2023 год. [58] [59] [60] В марте 2023 года этап испытаний Centaur V вышел из строя во время серии испытаний. Чтобы решить эту проблему, ULA внесла изменения в конструкцию сцены, что потребовало подготовки нового Кентавра к первому полету Вулкана Кентавра. [61]
19 августа 2019 года было объявлено, что Astrobotic Technology выбрала ULA для запуска своего посадочного модуля Peregrine в первом сертификационном полете Vulcan, получившем название Certification-1 , который тогда был запланирован на 2021 год. [62] [63] Vulcan впервые поднялся в воздух 8 января. 2024 г., успешная доставка спускаемого аппарата «Сапсан» по траектории к Луне. Он использовал конфигурацию VC2S с двумя твердотопливными ускорителями и обтекателем стандартной длины. После отделения полезной нагрузки после 4-минутной транслунной инъекции верхняя ступень «Кентавр» была отправлена на гелиоцентрическую орбиту после третьего запуска через 1 час 18 минут полета, чтобы проверить, как она будет вести себя в миссиях увеличенной продолжительности. , например, те, которые необходимы для отправки полезной нагрузки непосредственно на геостационарную орбиту . [14] [64] Хотя вскоре после отделения у посадочного модуля Peregrine произошел сбой в двигательной системе, что помешало ему приземлиться на Луну, Astrobotic отметила, что ракета Vulcan Centaur работала без проблем, и не было никаких доказательств того, что неисправность космического корабля было вызвано запуском. [65]
14 августа 2019 года ULA выиграла коммерческий конкурс, когда было объявлено, что вторым сертификационным полетом Vulcan будет SNC Demo-1, первый из семи полетов Dream Chaser CRS-2 в рамках программы NASA Commercial Resupply Services . Они будут использовать конфигурацию VC4 с четырьмя SRB. [66] Запуск SNC Demo-1 запланирован не ранее апреля 2024 года. [67]
После второй сертификационной миссии Vulcan Centaur ракета будет сертифицирована для использования в военных миссиях США. [68] Вулкан должен запустить выделенную ULA 60% долю полезных нагрузок космических запусков национальной безопасности в период с 2022 по 2027 год . [69] Запуск USSF-51 Космических сил в конце 2022 года должен был стать первой секретной миссией национальной безопасности, но в В мае 2021 года космический корабль был переведен в Atlas V , чтобы «снизить риск графика, связанный с непериодической проверкой конструкции Vulcan Centaur». [70] По тем же причинам полет прототипа системы Койпера был перенесен на ракету Атлас V. [71]
С момента официального объявления в 2015 году ULA говорила о нескольких технологиях, которые расширят возможности ракеты-носителя Vulcan. К ним относятся усовершенствования первой ступени, позволяющие сделать самые дорогие компоненты потенциально многоразовыми, а также усовершенствования второй ступени, позволяющие увеличить долгосрочную продолжительность ее миссии для работы в течение нескольких месяцев на околоземной орбите в окололунном пространстве . [72]
Верхняя ступень ACES, работающая на жидком кислороде (LOX) и жидком водороде (LH 2 ) и оснащенная четырьмя ракетными двигателями, тип двигателя еще не выбран, на момент анонса представляла собой концептуальную модернизацию верхней ступени Vulcan. в 2015 году. Впоследствии эту ступень можно будет модернизировать, включив в нее технологию Integrated Vehicle Fluids, которая позволит верхней ступени прожить на орбите гораздо дольше — недели, а не часы. Верхняя ступень ACES в конечном итоге была отменена [15] [73] , когда в сентябре 2020 года ULA объявила, что разработка ACES не будет продолжена и второй ступенью Vulcan теперь будет верхняя ступень Centaur V. [18] [72] Centaur V основан на верхней ступени, используемой в Atlas V, но больше и мощнее. Старший руководитель ULA сказал, что на дизайн Centaur V также сильно повлияла ACES. [74] [29]
Однако в 2021 году ULA заявила, что работает над повышением ценности верхних ступеней, заставляя их выполнять такие задачи, как работа в качестве космических буксиров. Генеральный директор Тори Бруно говорит, что ULA работает над верхними ступенями, выносливость которых в сотни раз превышает те, которые используются в настоящее время. [74]
Метод повторного использования главного двигателя, называемый технологией разумного модульного автономного возврата (SMART), является предлагаемой модернизацией Vulcan Centaur. Согласно концепции, разгонные двигатели, авионика и тяговая конструкция отделяются как модуль от топливных баков после отключения разгонного двигателя. Затем модуль двигателя проваливается в атмосферу, защищенную надувным тепловым экраном . После раскрытия парашюта моторная часть приводняется, используя теплозащитный экран в качестве плота. [75] По оценкам ULA, эта технология может снизить стоимость двигательной установки первой ступени на 90% и на 65% от общей стоимости первой ступени. [38] [75] Хотя повторное использование SMART изначально не финансировалось для разработки, [72] с 2021 года более высокая частота запусков, необходимая для запуска мегагруппировки Project Kuiper, обеспечила поддержку экономического обоснования концепции. [76] До 2022 года ULA намеревалась перехватить двигательную часть с помощью вертолета. [75]
В сентябре 2020 года ULA объявила, что тщательно изучает вариант Vulcan Heavy с тремя ускорительными ядрами. Слухи о новом варианте бушевали в течение нескольких месяцев после того, как в социальных сетях появилось изображение модели этой версии. Позже Тори Бруно опубликовал в Твиттере более четкое изображение модели и сказал, что это предмет продолжающегося исследования. [77]
«Работа ACES имеет свои отпечатки в нашей новой версии Centaur, Centaur 5, которую мы используем вместе с Vulcan. Эти исследования пять-восемь лет назад, безусловно, сослужили нам хорошую службу и поставили нас на хороший путь вперед для развития нашей Мы продолжим развивать нашу верхнюю ступень, чтобы удовлетворить потребности рынка в будущем».
Метановая ракета имеет меньшую плотность, поэтому внешний диаметр конструкции составляет 5,4 метра, а для керосиновой версии AR1 мы возвращаемся к размеру Atlas V.
таблица 10 на стр. 27
…производимый в США ракетный двигатель, разрабатываемый для ракеты-носителя ULA Vulcan, испытывает технические проблемы, связанные с необходимыми возможностями воспламенителя и ускорителя, и может не быть вовремя квалифицирован для поддержки первых запусков, начиная с 2021 года.