Centaur — это семейство верхних ступеней с ракетным двигателем , которое используется с 1962 года. В настоящее время оно производится американским поставщиком услуг по запуску United Launch Alliance , с одной основной активной версией и одной версией в стадии разработки. Common Centaur /Centaur III диаметром 3,05 м (10,0 футов) летает как верхняя ступень ракеты -носителя Atlas V , а Centaur V диаметром 5,4 м (18 футов) был разработан как верхняя ступень новой ракеты Vulcan компании ULA. [5] [6] Centaur был первой ракетной ступенью, в которой использовались жидкий водород (LH2 ) и жидкий кислород (LOX) в качестве топлива , высокоэнергетическая комбинация, которая идеально подходит для верхних ступеней, но имеет значительные трудности в обращении. [7]
Common Centaur построен на основе баллонов с топливом из нержавеющей стали со стабилизированным давлением [8] со стенками толщиной 0,51 мм (0,020 дюйма). Он может поднимать полезную нагрузку до 19 000 кг (42 000 фунтов). [9] Тонкие стенки минимизируют массу баков, максимизируя общую производительность ступени. [10]
Общая переборка разделяет баки LOX и LH 2 , что еще больше снижает массу бака. Она сделана из двух оболочек из нержавеющей стали, разделенных сотами из стекловолокна. Соты из стекловолокна минимизируют теплопередачу между чрезвычайно холодным LH 2 и менее холодным LOX. [11] : 19
Основная двигательная установка состоит из одного или двух двигателей Aerojet Rocketdyne RL10 . [8] Ступень способна к двенадцати перезапускам, ограниченным топливом, орбитальным сроком службы и требованиями миссии. В сочетании с изоляцией топливных баков это позволяет Centaur выполнять многочасовые полеты по инерции и многократное включение двигателей, требуемое для сложных орбитальных выведений. [9]
Система управления реакцией (RCS) также обеспечивает незаполненный объем и состоит из двадцати гидразиновых монотопливных двигателей, расположенных вокруг ступени в двух двухмоторных и четырех четырехмоторных гондолах. В качестве топлива 150 кг (340 фунтов) гидразина хранится в паре баллонов и подается в двигатели RCS с сжатым гелием , который также используется для выполнения некоторых основных функций двигателя. [12]
По состоянию на 2024 год используются два варианта Centaur: Centaur III на Atlas V, [13] [14] и Centaur V на Vulcan Centaur. [15] Все многие другие варианты Centaur были сняты с производства. [16] [17]
Двигатели Centaur со временем совершенствовались, и по состоянию на 2024 год используются три версии (RL10A-4-2, RL10C-1 и RL10C-1-1) (см. таблицу ниже). Все версии используют жидкий водород и жидкий кислород. [18]
Common Centaur — верхняя ступень ракеты Atlas V. [12] Ранее Common Centaurs приводились в движение версией RL10-A-4-2 RL-10. С 2014 года Common Centaur летает с двигателем RL10-C-1 , который используется совместно со второй ступенью Delta Cryogenic , для снижения затрат. [25] [26] Конфигурация Dual Engine Centaur (DEC) будет продолжать использовать меньший RL10-A-4-2 для размещения двух двигателей в доступном пространстве. [26]
Atlas V может летать в нескольких конфигурациях, но только одна из них влияет на способ интеграции Centaur с ускорителем и обтекателем: обтекатель полезной нагрузки Atlas V диаметром 5,4 м (18 футов) крепится к ускорителю и инкапсулирует верхнюю ступень и полезную нагрузку, направляя аэродинамические нагрузки, вызванные обтекателем, в ускоритель. Если используется обтекатель полезной нагрузки диаметром 4 м (13 футов), точка крепления находится в верхней части (передний конец) Centaur, направляя нагрузки через конструкцию бака Centaur. [27]
Новейшие модели Common Centaurs могут размещать вторичные полезные нагрузки с помощью кормового переборочного носителя, прикрепленного к двигательному концу ступени. [28]
Большинство полезных нагрузок запускаются на однодвигательном Centaur (SEC) с одним RL10 . Это вариант для всех обычных полетов Atlas V (обозначается последней цифрой системы наименования, например Atlas V 421).
Доступен вариант с двумя двигателями RL-10, но только для запуска пилотируемого космического корабля CST-100 Starliner . Более высокая тяга двух двигателей обеспечивает более плавный подъем с большей горизонтальной скоростью и меньшей вертикальной скоростью, что снижает замедление до уровня, позволяющего выжить в случае прерывания запуска и баллистического входа в атмосферу в любой момент полета. [29]
Centaur V — верхняя ступень новой ракеты-носителя Vulcan , разработанной United Launch Alliance для нужд программы National Security Space Launch (NSSL). [30] Первоначально Vulcan планировалось ввести в эксплуатацию с модернизированным вариантом Common Centaur, [31] с модернизацией до Advanced Cryogenic Evolved Stage (ACES), запланированной после первых нескольких лет полетов. [17] [32]
В конце 2017 года ULA решила перенести элементы верхней ступени ACES вперед и начать работу над Centaur V. Centaur V будет иметь диаметр ACES 5,4 м (18 футов) и усовершенствованную изоляцию, но не будет включать функцию Integrated Vehicle Fluids (IVF), которая, как ожидается, позволит продлить срок службы верхней ступени на орбите с часов до недель. [17] Centaur V использует две разные версии двигателя RL10-C с удлинителями сопла для улучшения расхода топлива для самых тяжелых полезных нагрузок. [33] Эта улучшенная возможность по сравнению с Common Centaur была предназначена для того, чтобы позволить ULA выполнить требования NSSL и вывести из эксплуатации оба семейства ракет Atlas V и Delta IV Heavy раньше, чем изначально планировалось. Новая ракета была публично названа Vulcan Centaur в марте 2018 года. [34] [35] В мае 2018 года Aerojet Rocketdyne RL10 был объявлен в качестве двигателя Centaur V после конкурентного процесса закупок против Blue Origin BE-3 . На каждой ступени будет установлено два двигателя. [36] В сентябре 2020 года ULA объявила, что ACES больше не разрабатывается, и что вместо этого будет использоваться Centaur V. [37] Тори Бруно, генеральный директор ULA, заявил, что Centaur 5 Vulcan будет иметь на 40% большую выносливость и в два с половиной раза больше энергии, чем верхняя ступень ULA, на которой сейчас летает. «Но это только верхушка айсберга», — уточнил Бруно. «Я собираюсь увеличить выносливость до 450, 500, 600 раз всего за несколько следующих лет. Это позволит выполнять целый ряд новых миссий, которые вы даже не можете себе представить сегодня». [38]
Наконец, Vulcan был запущен 8 января 2024 года, и ступень безупречно отработала в своем первом полете. [39]
Концепция Centaur возникла в 1956 году, когда подразделение Convair компании General Dynamics начало изучать верхнюю ступень, работающую на жидком водороде. Последующий проект начался в 1958 году как совместное предприятие Convair, Агентства перспективных исследовательских проектов (ARPA) и ВВС США . В 1959 году NASA взяло на себя роль ARPA. Centaur изначально летал в качестве верхней ступени ракеты-носителя Atlas-Centaur , столкнувшись с рядом проблем на раннем этапе разработки из-за новаторского характера проекта и использования жидкого водорода. [41] В 1994 году General Dynamics продала свое подразделение Space Systems компании Lockheed-Martin . [42]
Centaur изначально разрабатывался для использования с семейством ракет-носителей Atlas . Известный на ранних этапах планирования как «высокоэнергетическая верхняя ступень», выбор мифологического Centaur в качестве названия был призван представить сочетание грубой силы ускорителя Atlas и изящества верхней ступени. [43]
Первоначальные запуски ракет Atlas-Centaur проводились на опытных версиях, обозначенных как Centaur-A — -C.
Единственный запуск Centaur-A 8 мая 1962 года закончился взрывом через 54 секунды после старта, когда изоляционные панели Centaur отделились преждевременно, что привело к перегреву и разрыву бака LH 2. Эта версия была оснащена двумя двигателями RL10A-1 . [44]
После обширных доработок единственный полет Centaur-B 26 ноября 1963 года был успешным. Эта версия была оснащена двумя двигателями RL10A-3. [44]
Centaur-C совершил три полета между 1964 и 1965 годами, [44] с двумя неудачами и одним запуском, объявленным успешным, хотя Centaur не удалось перезапустить. Эта версия также была оснащена двумя двигателями RL10A-3. [44]
Centaur-D был первой версией, поступившей на вооружение в 1965 году, [44] с пятьюдесятью шестью запусками. [45] Он был оснащен двумя двигателями RL10A-3-1 или RL10A-3-3. [44]
30 мая 1966 года Atlas-Centaur вывел первый посадочный модуль Surveyor к Луне. За этим последовало еще шесть запусков Surveyor в течение следующих двух лет, и Atlas-Centaur показал себя так, как и ожидалось. Программа Surveyor продемонстрировала возможность повторного запуска водородного двигателя в космосе и предоставила информацию о поведении LH 2 в космосе. [11] : 96
К 1970-м годам Centaur был полностью готов и стал стандартной ступенью ракеты для запуска более крупных гражданских грузов на высокую околоземную орбиту, а также заменил ракету Atlas-Agena для планетарных зондов NASA. [11] : 103–166
Обновленная версия, названная Centaur-D1A (оснащенная двигателями RL10A-3-3), использовалась на Atlas-SLV3D, вошедшем в эксплуатацию в 1970-х годах. [46] [47] [44]
Centaur -D1AR использовался для Atlas-SLV3D , а Atlas G начал использоваться в 1970-х и 1980-х годах. [48] [44] [49]
К концу 1989 года «Центавр-Д» использовался в качестве верхней ступени для 63 запусков ракеты «Атлас», 55 из которых были успешными. [1]
Saturn I был разработан для полета с третьей ступенью SV, чтобы позволить полезным грузам выходить за пределы низкой околоземной орбиты (LEO). Ступень SV должна была работать от двух двигателей RL-10A-1, сжигающих жидкий водород в качестве топлива и жидкий кислород в качестве окислителя. Ступень SV была запущена четыре раза в миссиях SA-1 — SA-4 , во всех четырех этих миссиях баки SV были заполнены водой для использования в качестве балласта во время запуска. Ступень не запускалась в активной конфигурации.
Centaur D-1T (оснащенный двигателями RL10A-3-3) был улучшенной версией для использования на гораздо более мощном ускорителе Titan III в 1970-х годах [44] , с первым запуском получившегося Titan IIIE в 1974 году. Titan IIIE более чем утроил грузоподъемность Atlas-Centaur и имел улучшенную теплоизоляцию, что позволило увеличить срок службы на орбите до пяти часов, что больше, чем 30 минут у Atlas-Centaur. [11] : 143
Первый запуск Titan IIIE в феврале 1974 года оказался неудачным, с потерей Space Plasma High Voltage Experiment (SPHINX) и макета зонда Viking . В конечном итоге было установлено, что двигатели Centaur заглотили неправильно установленный зажим из кислородного бака. [11] : 145–146
Следующие Titan-Centaurs запустили Helios 1 , Viking 1 , Viking 2 , Helios 2 , [50] Voyager 1 и Voyager 2. У ускорителя Titan, использовавшегося для запуска Voyager 1, возникла проблема с оборудованием, которая привела к преждевременному отключению, которое ступень Centaur обнаружила и успешно компенсировала. Centaur завершил работу, когда топлива оставалось менее 4 секунд. [11] : 160
Centaur D-1T имел следующие общие характеристики: [51]
Shuttle-Centaur был предложенной верхней ступенью Space Shuttle . Чтобы обеспечить его установку в отсеках для полезной нагрузки шаттла, диаметр водородного бака Centaur был увеличен до 4,3 м (14 футов), а диаметр бака LOX остался на уровне 3,0 м (10 футов). Было предложено два варианта: Centaur G Prime, который планировался для запуска роботизированных зондов Galileo и Ulysses , и Centaur G, укороченная версия, уменьшенная в длине примерно с 9 до 6 м (30–20 футов), запланированная для полезных нагрузок Министерства обороны США и зонда Magellan Venus. [52]
После аварии космического челнока Challenger и всего за несколько месяцев до запланированного полета Shuttle-Centaur в NASA пришли к выводу, что запускать Centaur на Shuttle слишком рискованно. [53] Зонды запускались с помощью гораздо менее мощного твердотопливного IUS , а Galileo требовалось несколько гравитационных ускорителей с Венеры и Земли, чтобы достичь Юпитера.
Разрыв в возможностях, возникший после прекращения программы Shuttle-Centaur, был заполнен новой ракетой-носителем Titan IV . Версии 401A/B использовали верхнюю ступень Centaur с водородным баком диаметром 4,3 метра (14 футов). В версии Titan 401A Centaur-T запускался девять раз в период с 1994 по 1998 год. Зонд Cassini-Huygens Saturn 1997 года был первым полетом Titan 401B, еще шесть запусков завершились в 2003 году, включая один отказ SRB . [54]
Верхней ступенью Atlas I была ступень Centaur I , созданная на основе более ранних моделей Centaur, которые также летали на ускорителях Atlas. Centaur I имел два двигателя RL-10-A-3A, сжигающих жидкий водород и жидкий кислород, что делало ступень чрезвычайно эффективной. Чтобы помочь замедлить выкипание жидкого водорода в баках, Centaur имел стекловолоконные изоляционные панели, которые сбрасывались через 25 секунд после сброса двигателей первой ступени. [55] Centaur I был последней версией ступени, в которой использовались разделительные изоляционные панели.
Centaur II изначально разрабатывался для использования на ракетах серии Atlas II . [45] Centaur II также участвовал в первых запусках Atlas IIIA . [12]
Atlas IIIB представил Common Centaur, более длинный и изначально двухдвигательный Centaur II. [12]
Источник: Технические характеристики Atlas V551 по состоянию на 2015 год. [56]
Большинство Common Centaurs, запущенных на Atlas V, имеют сотни или тысячи килограммов топлива, оставшегося после отделения полезной нагрузки. В 2006 году эти топлива были идентифицированы как возможный экспериментальный ресурс для тестирования методов управления криогенными жидкостями в космосе. [57]
В октябре 2009 года ВВС и United Launch Alliance (ULA) провели экспериментальную демонстрацию на модифицированной верхней ступени Centaur запуска DMSP-18 , чтобы улучшить «понимание осаждения и выплескивания топлива , управления давлением, охлаждения RL10 и двухфазных операций выключения RL10. DMSP-18 представлял собой полезную нагрузку малой массы, в которой после разделения оставалось приблизительно 28% (5400 кг (11900 фунтов)) топлива LH 2 /LOX. Было проведено несколько демонстраций на орбите в течение 2,4 часов, завершившихся сжиганием при сходе с орбиты . [58] Первоначальная демонстрация была предназначена для подготовки к более продвинутым экспериментам по управлению криогенной жидкостью, запланированным в рамках программы разработки технологии CRYOTE на основе Centaur в 2012–2014 годах, [59] и увеличит TRL преемника усовершенствованной криогенной ступени Centaur. [16]
Несмотря на долгую и успешную историю полетов Centaur, с ним произошло несколько неудач:
3 (который летает на ракете Atlas V) имеет диаметр 3,8 метра. Самый первый Centaur, который мы запустим на Vulcan, сразу достигнет 5,4 метра в диаметре.
поскольку в нем предлагалось впервые использовать теоретически мощный, но проблемный жидкий водород в качестве топлива.
{{cite web}}
: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )Mariner 8 был запущен в мае, но в начале полета произошел сбой, и миссия завершилась приводнением в Атлантическом океане.