Centaur — это семейство верхних ступеней с ракетным двигателем , которые используются с 1962 года. В настоящее время они производятся американским поставщиком пусковых услуг United Launch Alliance , причем одна основная активная версия и одна версия находятся в стадии разработки. Common Centaur/Centaur III диаметром 3,05 м (10 футов) летает в качестве верхней ступени ракеты -носителя Atlas V , а Centaur V диаметром 5,4 м (18 футов) был разработан в качестве верхней ступени новой ракеты ULA Vulcan . [4] [5] «Кентавр» был первой ступенью ракеты, в которой использовалось топливо из жидкого водорода (LH 2 ) и жидкого кислорода (LOX) , высокоэнергетической комбинации, которая идеально подходит для верхних ступеней, но имеет значительные трудности в обращении. [6]
Common Centaur построен на основе баллонных топливных баков со стабилизированным давлением из нержавеющей стали [7] со стенками толщиной 0,51 мм (0,020 дюйма). Он может поднимать полезную нагрузку до 19 000 кг (42 000 фунтов). [8] Тонкие стены минимизируют массу резервуаров, увеличивая общую производительность сцены. [9]
Баки LOX и LH 2 разделены общей переборкой , что еще больше снижает массу танка. Он изготовлен из двух обшивок из нержавеющей стали, разделенных сотами из стекловолокна. Соты из стекловолокна сводят к минимуму теплообмен между чрезвычайно холодным LH 2 и менее холодным LOX. [10] : 19
Основная двигательная установка состоит из одного или двух двигателей Aerojet Rocketdyne RL10 . [7] Ступень рассчитана на двенадцать перезапусков, в зависимости от топлива, срока службы на орбите и требований миссии. В сочетании с изоляцией топливных баков это позволяет «Кентавру» выполнять многочасовые выбеги и множественные включения двигателей, необходимые при сложных выведениях на орбиту. [8]
Система управления реакцией (РСУ) также обеспечивает незаполненный объем и состоит из двадцати гидразиновых монотопливных двигателей, расположенных вокруг ступени в двух двух- и четырех четырехдвигательных блоках. В качестве топлива 150 кг (340 фунтов) гидразина хранятся в паре баков-дозаторов и подаются в двигатели RCS со сжатым гелием , который также используется для выполнения некоторых основных функций двигателя. [11]
По состоянию на 2019 год все варианты Centaur, кроме двух, были выведены из эксплуатации: Common Centaur/Centaur III (активный) и Centaur V (проверенный в полете). [12] [13]
На каждой ступени «Кентавра» используются два двигателя. Двигатели со временем развивались, и по состоянию на 2024 год используются три версии (см. таблицу ниже). Все версии используют жидкий водород и жидкий кислород.
Common Centaur — верхняя ступень ракеты Atlas V. [11] Ранее Common Centaurs приводились в движение версией RL-10 RL10-A-4-2. С 2014 года Common Centaur летает с двигателем RL10-C-1 , который используется совместно с криогенной второй ступенью Delta , чтобы снизить затраты. [20] [21] В конфигурации Dual Engine Centaur (DEC) будет по-прежнему использоваться меньший по размеру RL10-A-4-2 для размещения двух двигателей в доступном пространстве. [21]
Atlas V может летать в нескольких конфигурациях, но только одна влияет на способ интеграции Centaur с ускорителем и обтекателем: обтекатель полезной нагрузки Atlas V диаметром 5,4 м (18 футов) прикрепляется к ускорителю и заключает в себе верхнюю ступень и полезную нагрузку, направляя обтекатель. создавали аэродинамические нагрузки на ускоритель. Если используется обтекатель полезной нагрузки диаметром 4 м (13 футов), точка крепления находится в верхней (передней части) Centaur, направляя нагрузки через конструкцию бака Centaur. [22]
Новейшие модели Common Centaurs могут размещать вспомогательную полезную нагрузку с помощью кормовой переборки, прикрепленной к двигательной части ступени. [23]
Большинство полезной нагрузки запускается на одномоторном Centaur (SEC) с одним RL10 . Это вариант для всех обычных полетов Atlas V (обозначается последней цифрой системы обозначения, например Atlas V 421).
Доступен двухдвигательный 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 допустимого уровня в случае прерывания запуска и баллистического входа в атмосферу, происходящего в любой точке полета. [24]
Centaur V — верхняя ступень новой ракеты-носителя Vulcan , разработанной United Launch Alliance для удовлетворения потребностей программы космических запусков национальной безопасности (NSSL). [25] Первоначально планировалось, что Vulcan поступит на вооружение с модернизированным вариантом Common Centaur, [26] с обновлением до Advanced Cryogenic Evolved Stage (ACES), запланированным после первых нескольких лет полетов. [13] [27]
В конце 2017 года ULA решила перенести элементы верхней ступени ACES и начать работу над Centaur V. Centaur V будет иметь диаметр ACES 5,4 м (18 футов) и улучшенную изоляцию, но не будет включать интегрированные автомобильные жидкости (IVF). Ожидается, что эта функция позволит продлить срок службы верхней ступени на орбите с часов до недель. [13] Centaur V использует две разные версии двигателя RL10-C с удлинителями сопел для снижения расхода топлива для самых тяжелых грузов. [28] Эти расширенные возможности по сравнению с Common Centaur были предназначены для того, чтобы позволить ULA удовлетворить требования NSSL и вывести из эксплуатации семейства ракет Atlas V и Delta IV Heavy раньше, чем первоначально планировалось. Новая ракета публично получила название Vulcan Centaur в марте 2018 года. [29] [30] В мае 2018 года Aerojet Rocketdyne RL10 был объявлен двигателем Centaur V после конкурсной закупки против Blue Origin BE-3 . На каждой ступени будет установлено по два двигателя. [31] В сентябре 2020 года ULA объявила, что ACES больше не разрабатывается и вместо него будет использоваться Centaur V. [32] 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 верхняя ступень ULA. «Но это только верхушка айсберга», — пояснил Бруно. «Я собираюсь увеличить выносливость в 450, 500, 600 раз в течение следующих нескольких лет. Это позволит выполнить совершенно новый набор миссий, которые вы даже не можете себе представить сегодня». [33]
Наконец, 8 января 2024 года «Вулкан» был запущен, и во время своего первого полета платформа работала безупречно. [34]
Концепция «Кентавра» возникла в 1956 году, когда компания Convair начала 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 роль ARPA взяло на себя НАСА . Первоначально «Кентавр» летал в качестве верхней ступени ракеты- носителя «Атлас-Кентавр» , столкнувшись с рядом проблем на раннем этапе разработки из-за новаторского характера усилий и использования жидкого водорода. [35] В 1994 году General Dynamics продала свое подразделение Space Systems компании Lockheed-Martin . [36]
Первоначально «Кентавр» разрабатывался для использования с семейством ракет-носителей «Атлас» . Известный на ранних этапах планирования как «высокоэнергетическая верхняя ступень», выбор мифологического Кентавра в качестве тезки был призван отразить сочетание грубой силы ракеты-носителя «Атлас» и утонченности верхней ступени. [37]
При первых запусках Atlas-Centaur использовались экспериментальные версии с маркировкой Centaur-A–C. Единственный запуск «Кентавра-А» 8 мая 1962 года закончился взрывом через 54 секунды после старта, когда изоляционные панели «Кентавра» отделились раньше времени, что привело к перегреву и разрыву бака LH 2 . После обширных модификаций единственный полет «Кентавра-Б» 26 ноября 1963 года оказался успешным. «Кентавр-С» совершил три полета с двумя неудачами, один запуск был признан успешным, хотя «Кентавр» не смог перезапуститься. «Кентавр-Д» был первой версией, поступившей на вооружение, выполнив пятьдесят шесть пусков. [38]
30 мая 1966 года « Атлас-Кентавр» направил первый спускаемый аппарат Surveyor к Луне. За этим последовало еще шесть запусков Surveyor в течение следующих двух лет, при этом Atlas-Centaur показал ожидаемые результаты. Программа Surveyor продемонстрировала возможность повторного запуска водородного двигателя в космосе и предоставила информацию о поведении LH 2 в космосе. [10] : 96
К 1970-м годам «Кентавр» полностью созрел и стал стандартной ракетной ступенью для запуска более крупных гражданских грузов на высокую околоземную орбиту, а также заменил аппарат «Атлас-Агена» для планетарных зондов НАСА. [10] : 103–166.
К концу 1989 года «Кентавр-Д» и «Г» использовались в качестве разгонного блока для 63 пусков ракет «Атлас», 55 из которых оказались успешными. [2]
« Сатурн I» был спроектирован для полета с третьей ступенью космического корабля, позволяющей полезной нагрузке выходить за пределы низкой околоземной орбиты (НОО). Ступень СВ должна была оснащаться двумя двигателями РЛ-10А-1, работающими на жидком водороде в качестве топлива и жидком кислороде в качестве окислителя. Ступень СВ летала четыре раза в миссиях от SA-1 до SA-4 , во всех четырех из этих миссий баки SV были заполнены водой для использования в качестве балласта во время запуска. Этап не летал в активной конфигурации.
Centaur D был улучшен для использования на гораздо более мощном ускорителе Titan III в 1970-х годах, с первым запуском получившегося Titan IIIE в 1974 году. Titan IIIE более чем утроил грузоподъемность Atlas-Centaur и имел улучшенную теплоизоляцию. , что обеспечивает продолжительность жизни на орбите до пяти часов, что больше 30 минут у Атласа-Кентавра. [10] : 143
Первый запуск Титана IIIE в феврале 1974 года оказался неудачным из-за потери эксперимента с космической плазмой высокого напряжения (СФИНКС) и макета зонда «Викинг» . В конце концов было установлено, что двигатели «Кентавра» проглотили неправильно установленную обойму кислородного баллона. [10] : 145–146.
Следующие Титаны-Кентавры запустили «Гелиос-1» , «Викинг-1» , «Викинг-2» , «Гелиос-2» , [39] «Вояджер-1» и «Вояджер-2» . У ракеты-носителя «Титан», использованной для запуска «Вояджера-1», возникла аппаратная проблема, которая привела к преждевременному отключению, которое ступень «Кентавр» обнаружила и успешно компенсировала. «Кентавр» завершил горение, оставив топливо менее чем за 4 секунды. [10] : 160
Centaur был представлен на Atlas G и перенесен на очень похожий Atlas I.
«Шаттл-Кентавр» — предложенная верхняя ступень космического корабля «Шаттл» . Чтобы обеспечить возможность установки в отсеках полезной нагрузки шаттла, диаметр водородного бака «Кентавра» был увеличен до 4,3 м (14 футов), при этом диаметр бака LOX остался на уровне 3,0 м (10 футов). Было предложено два варианта: Centaur G Prime, который планировалось запускать роботизированные зонды Galileo и Ulysses , и Centaur G, укороченная версия, уменьшенная в длине примерно с 9 до 6 м (от 30 до 20 футов), запланированная для полезной нагрузки Министерства обороны США. и зонд «Магеллан- Венера». [40]
После аварии космического корабля « Челленджер » и всего за несколько месяцев до запланированного полета «Шаттла-Кентавра» НАСА пришло к выводу, что управлять «Кентавром» на «Шаттле» слишком рискованно. [41] Зонды были запущены с помощью гораздо менее мощного твердотопливного IUS , поскольку Галилею требовалась множественная гравитационная поддержка Венеры и Земли, чтобы достичь Юпитера.
Пробел в возможностях, образовавшийся после закрытия программы «Шаттл-Кентавр», был заполнен новой ракетой-носителем « Титан IV» . В версиях 401A/B использовалась верхняя 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 «Кассини-Гюйгенс Сатурн» в 1997 году стал первым полетом Titan 401B, еще шесть запусков завершились в 2003 году, включая один отказ SRB . [42]
Centaur II изначально разрабатывался для использования на ракетах серии Atlas II . [38] Centaur II также участвовал в первых запусках Atlas IIIA . [11]
Atlas IIIB представил Common Centaur, более длинный и изначально двухмоторный Centaur II. [11]
У большинства «Обычных кентавров», запущенных на Атласе V, при отделении полезной нагрузки осталось от сотен до тысяч килограммов топлива. В 2006 году это топливо было идентифицировано как возможный экспериментальный ресурс для тестирования методов управления криогенной жидкостью в космосе. [43]
В октябре 2009 года ВВС и United Launch Alliance (ULA) провели экспериментальную демонстрацию модифицированной верхней ступени Centaur при запуске DMSP-18, чтобы улучшить «понимание процессов оседания и выплескивания топлива , контроля давления, охлаждения RL10 и двухфазного отключения RL10». DMSP-18 представлял собой полезную нагрузку малой массы, в которой после отделения оставалось около 28% (5400 кг (11900 фунтов)) топлива LH 2 /LOX. В течение 2,4 часов было проведено несколько демонстраций на орбите , завершившихся спуском с орбиты . [44] Первоначальная демонстрация была предназначена для подготовки к более продвинутым экспериментам по управлению криогенными жидкостями, запланированным в рамках программы развития технологии CRYOTE на базе Centaur в 2012–2014 годах, [45] и увеличит TRL преемника Advanced Cryogenic Evolved Stage Centaur. [12]
Хотя «Кентавр» имеет долгую и успешную историю полетов, он пережил ряд неудач:
Источник: характеристики Atlas V551 по состоянию на 2015 год. [60]
«Кентавр-3» (который летает на ракете «Атлас V») имеет диаметр 3,8 метра. Самый первый «Кентавр», который мы полетим на Вулкан, будет иметь диаметр 5,4 метра.
потому что он предлагал сначала использовать теоретически мощный, но проблематичный жидкий водород в качестве топлива.
{{cite web}}
: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )«Маринер-8» был запущен в мае, но потерпел неудачу в начале полета и завершил свою миссию, упав в Атлантический океан.