Centaur: Ғарышқа жеткізуге арналған ракеталық күш беру сатылары

Кіріспе

Кеме сүйрегіш ретінде пайдаланылатын зымыран сатыларының туысы Centaur – 1962 жылдан бері қолданылып келе жатқан зымырандық қозғалтқышты жоғарғы сатылардың туысы. Қазіргі уақытта оны АҚШ-тың ұшыру қызметтерін ұсынатын United Launch Alliance компаниясы шығарады, оның бір негізгі белсенді нұсқасы және бір нұсқасы әзірленуде. Common Centaur/Centaur III диаметрі Atlas V ұшыру құралының жоғарғы сатысы ретінде ұшады, ал Centaur V диаметрі ULA-ның жаңа Vulcan зымыранының жоғарғы сатысы ретінде жасалған. Centaur – сұйық сутегі (LH2) және сұйық оттегін (LOX) отын ретінде пайдаланған алғашқы зымыран сатысы, бұл жоғары сатылар үшін өте тиімді, бірақ қолдануда қиындықтар тудыратын жоғары энергиялы қоспа.

Centaur III/Жалпы жүз жылқысы

Ортақ Кентавр – Atlas V зымырасының жоғарғы сатысы. Екі қозғалтқышты орналастыру үшін қолданылатын екі қозғалтқышты Centaur (DEC) конфигурациясы кіші RL10 A 4 2 қозғалтқыштарын пайдалануды жалғастырады. Жаңа Common Centaur-лар артқы бөлігіндегі жүк тасымалдауыш құрылғысы арқылы қосымша жүктерді тасымалдай алады.

Бір қозғалтқышпен Centaur (SEC)

Пайдалы жүктердің көп бөлігі бір RL10 қозғалтқышымен жабдықталған бір қозғалтқышты Centaur (SEC) арқылы ұшырылады. Бұл Atlas V-тің барлық стандартты ұшуларына арналған нұсқасы болып табылады (атау жүйесінің соңғы цифрымен белгіленеді, мысалы, Atlas V 421).

Қос қозғалтқышпен Centaur (DEC)

Екі RL10 қозғалтқышы бар екі қозғалтқыштың нұсқасы қолжетімді, бірақ ол тек CST-100 Starliner экипажды ғарыш кемесін ұшыру үшін ғана. Екі қозғалтқыштың күші жоғары болғандықтан, көтерілу кезінде көлденең жылдамдық артып, тік жылдамдық азаяды, бұл ұшыру тоқтатылған жағдайда және ұшудың кез келген кезеңінде баллистикалық қайта кіру болғанда, адам өміріне қауіпсіз деңгейде тежелуді қамтамасыз етеді.

Centaur V

Centaur V — Ұлттық қауіпсіздік ғарыш ұшыру (NSSL) бағдарламасының қажеттіліктерін қанағаттандыру үшін United Launch Alliance әзірлеген жаңа Vulcan ұшыру құралының жоғарғы сатысы. Vulcan бастапқыда Common Centaur-дың жаңартылған түрімен пайдалануға арналған, ал алғашқы бірнеше жылғы ұшулардан кейін Advanced Cryogenic Evolved Stage (ACES) деңгейіне жаңарту жоспарланған. 2017 жылдың соңында ULA ACES жоғарғы сатысының элементтерін алға жылжытып, Centaur V-ті жасау жұмыстарын бастады. Centaur V ACES-тің диаметріне және жетілдірілген жылу оқшаулауына ие болады, бірақ жоғарғы сатының орбитадағы қызмет ету мерзімін сағаттардан апталарға дейін ұзартуға мүмкіндік беретін Интеграцияланған көлік сұйықтықтары (IVF) мүмкіндігі болмайды. Common Centaur-ға қарағанда осы артықшылық ULA-ға NSSL талаптарын орындауға және Atlas V және Delta IV Heavy зымыран отбасыларын жоспарланған мерзімнен бұрын зейнеткерлікке шығаруға мүмкіндік беруді көздеді. Жаңа зымыран 2018 жылдың наурыз айында Vulcan Centaur деп ресми түрде таныстырылды. 2018 жылдың мамыр айында бәсекелі тендерден кейін Aerojet Rocketdyne RL10 Centaur V қозғалтқышы ретінде таңдалды, бұл Blue Origin BE 3-ке қарсы өткізілді. Әр сатыда екі қозғалтқыш орнатылады. 2020 жылдың қыркүйегінде ULA ACES әзірлеуден тоқтатылғанын және оның орнына Centaur V пайдаланылатынын хабарлады. ULA бас директоры Тори Бруно Vulcan Centaur 5 қазіргі уақытта қолданылып жүрген ULA жоғарғы сатысына қарағанда 40%-ға артық төзімділікке және екі жарым есе көп энергияға ие болатынын мәлімдеді. "Бірақ бұл – мұздың ұшы ғана", – деді Бруно. "Алдағы бірнеше жылда төзімділікті 450, 500, 600 есеге дейін арттыруға ұмтыламын. Бұл бүгінге дейін елестете алмайтын жаңа миссияларды жүзеге асыруға мүмкіндік береді."

Vulcan 2024 жылдың 8 қаңтарында сәтті ұшырылды және алғашқы ұшуы өте жақсы өтті.

Тарих

Centaur концепциясы 1956 жылы пайда болды, ол кезде Convair сұйық сутегімен жұмыс істейтін жоғарғы сатыны зерттеуді бастады. Содан кейін 1958 жылы Convair, Advanced Research Projects Agency (ARPA) және АҚШ Әуе күштері арасындағы бірлескен жоба ретінде даму алды. 1959 жылы NASA ARPA-ның қызметін өз мойнына алды. Centaur бастапқыда Atlas Centaur атты ұшыру құралының жоғарғы сатысы ретінде сынақтан өтті, бұл жобаның жаңалыққа толы болуы және сұйық сутегін пайдалануы салдарынан даму кезеңінде бірқатар қиындықтарға тап болды. 1994 жылы General Dynamics өздерінің Space Systems бөлімін Lockheed Martin компаниясына сатты.

Centaur A-D (Атлас)

Centaur бастапқыда Atlas ұшыру құралдары отбасысымен қолдану үшін әзірленген. Бастапқы жоспарларда "жоғары энергиялық саты" деп аталған, мифологиялық Кентаврды атау ретінде таңдау Атлас күштегішінің қуатын және жоғарғы сатының шеберлігін білдіруі керек еді. Алғашқы Atlas Centaur ұшырулары Centaur A-дан C-ға дейін белгіленген әзірлеме нұсқаларын пайдаланды. 1962 жылдың 8 мамырындағы Centaur A ұшырылымы, Centaur-дың жылу оқшаулау панельдері ерте бөлінгендіктен, LH2 бакінің қызып, жарылуына себеп болғаннан кейін 54 секундтан соң жарылысқа ұшырады. Көптеген қайта жобалаулардан кейін, 1963 жылдың 26 қарашасындағы Centaur B ұшырылымы сәтті аяқталды. Centaur C үш рет ұшты, екі рет сәтсіз аяқтады және бір рет сәтті ұшырылды, бірақ Centaur қайта іске қосылмады. Centaur D – 56 ұшырылыммен пайдалануға енген алғашқы нұсқа. 1966 жылдың 30 мамырында Atlas Centaur алғашқы Surveyor қондырғышын Айға қарай жіберді. Бұдан кейін келесі екі жылда тағы алты Surveyor ұшырылымы болды, Atlas Centaur күтілгендей жұмыс істеді. Surveyor бағдарламасы ғарышта сутегі қозғалтқышын қайта іске қосу мүмкіндігін көрсетті және ғарышта LH2-нің қалай әрекет ететіні туралы ақпарат берді.

Сатурн I S-V

Сатурн I ұшағы S V үшінші сатысымен ұшу үшін жобаланған, бұл жүктерді Жердің төменгі орбитасынан (LEO) тысқары шығаруға мүмкіндік беретін болды. S V сатысы екі RL-10A-1 қозғалтқышымен жұмыс істеуі тиіс еді, олар отын ретінде сұйық сутекті және тотықтырғыш ретінде сұйық оттекті пайдаланатын. S V сатысы SA-1 арқылы SA-4 миссияларында төрт рет ұшырылды, осы төрт миссияның барлығында S V резервуарлары ұшыру кезінде балласт ретінде пайдалану үшін сумен толтырылды. Сатыс активті конфигурацияда ұшырылмады.

Centaur D-1T (Титан III)

Centaur D 1970 жылдары әлдеқайда қуатты Titan III бустерінде пайдалану үшін жетілдірілді, нәтижесінде 1974 жылы Titan IIIE алғаш рет ұшырылды. Titan IIIE Atlas Centaur-дың жүк көтергіштігін үш еседен астам арттырды және жылу оқшаулауды жақсартты, бұл Atlas Centaur-дың 30 минутына қарағанда орбитада болу мерзімін бес сағатқа дейін ұзартты. "Вояджер-1" және "Вояджер-2" ғарыш аппараттары осы бустер арқылы ұшырылды. "Вояджер-1" ұшыру үшін пайдаланылған Titan бустерінде аппараттық ақау болды, ол Centaur сатысымен анықталып, тоқтатылды. Centaur жануын 4 секундтан аз отын қалғанда аяқтады. "Челленджер" апатынан кейін және Centaur шаттлының ұшуы жоспарланғанға дейін бірнеше ай бұрын NASA Centaur шаттлын ұшырудың тым қауіпті екенін мәлімдеді.

Centaur II (Atlas II/III)

Centaur II бастапқыда Atlas II сериялы зымырандарында қолдану үшін әзірленген.

Centaur III/Жалпы жүз жылқысы (Atlas III/V)

Atlas IIIB-де Common Centaur, ұзақ және бастапқыда екі қозғалтқышты Centaur II енгізілді. 2009 жылдың қазан айында Ғарыш күштері мен Біріккен ұшыру альянсы (ULA) «жануар майының тұнуын және қозғалуын, қысымды басқаруды, RL10 салқындатуын және RL10 екі фазалық тоқтату операцияларын түсінуді жақсарту үшін» DMSP 18 ұшырылымының модификацияланған Centaur жоғарғы сатысында тәжірибелік демонстрация жүргізді. DMSP 18 төмен массалы жүкпен болды, бөлінгеннен кейін LH2/LOX жанар майының шамамен 28% қалды. 2,4 сағат бойы бірнеше орбиталық демонстрациялар жүргізілді, соңынан орбитадан шығару өртінсіз аяқталды. Алғашқы демонстрация 2012–2014 жылдары Centaur негізіндегі CRYOTE технологиясын дамыту бағдарламасы аясында жоспарланған криогендік сұйықтықты басқарудың озық тәжірибелеріне дайындалу үшін жасалды және Advanced Cryogenic Evolved Stage Centaur-дің ізбасарының TRL деңгейін арттырады. 1971 жылдың 9 мамырында Centaur басқару жүйесі сәтсіз жұмыс істеп, өзімен бірге Марс орбитасына бағытталған Mariner 8 ғарыш кемесін жойды. 1991 жылдың 18 сәуірінде Centaur турбонасосқа бөгет жасаған жанар май құбырларын тазалауға қолданылған тазалау төсемдерінен түскен бөлшектерге байланысты іске қосылмады. 1992 жылдың 22 тамызында Centaur қайта іске қосылмады (мұз басу мәселесі). 1999 жылдың 30 сәуірінде АҚШ-143 (Milstar DFS 3m) байланыс спутнигін ұшыру Centaur дерекқорындағы қатеге байланысты бақылаусыз айналу жылдамдығына және бағытты бақылаудың жоғалуына байланысты сәтсіз аяқталды, нәтижесінде спутник пайдасыз орбитаға шықты. 2007 жылдың 15 маусымында Atlas V-тің Centaur жоғарғы сатысындағы қозғалтқыш ертерек тоқтады, нәтижесінде оның жүгі – Ұлттық барлау басқармасының мұхитты бақылау спутниктерінің жұбы – жоспарланғаннан төмен орбитада қалды. Бұл сәтсіздік «үлкен көңіл көшіру» деп аталды, бірақ кейінірек жасалған мәлімдемелерде ғарыш кемесі өз миссиясын орындауға қабілетті екені айтылды. Себебі – сутекті отынды бөгеп тастаған ашық клапан, нәтижесінде екінші өрт төрт секунд ертерек аяқталды, ал келесі ұшырылым қалыпты болды. 2018 жылдың 23–25 наурызында 2009 жылдың 8 қыркүйегінде ұшырылған Atlas V Centaur пассивті екінші сатысы бұзылды. 2018 жылдың 30 тамызында 2014 жылдың 17 қыркүйегінде ұшырылған Atlas V Centaur пассивті екінші сатысы жарылып, ғарыш қиқымдарын құрады. 2019 жылдың 6 сәуірінде 2018 жылдың 17 қазанында ұшырылған Atlas V Centaur пассивті екінші сатысы бұзылды.

Atlas IIIB introduced the Common Centaur, a longer and initially dual engine Centaur II. In October 2009, the Air Force and United Launch Alliance (ULA) performed an experimental demonstration on the modified Centaur upper stage of DMSP 18 launch to improve "understanding of propellant settling and slosh, pressure control, RL10 chilldown and RL10 two phase shutdown operations. DMSP 18 was a low mass payload, with approximately 28% of LH2/LOX propellant remaining after separation. Several on orbit demonstrations were conducted over 2.4 hours, concluding with a deorbit burn. The initial demonstration was intended to prepare for more advanced cryogenic fluid management experiments planned under the Centaur based CRYOTE technology development program in 2012–2014, and will increase the TRL of the Advanced Cryogenic Evolved Stage Centaur successor. May 9, 1971; Centaur guidance failed, destroying itself and the Mariner 8 spacecraft bound for Mars orbit. April 18, 1991: Centaur failed due to particles from the scouring pads used to clean the propellant ducts getting stuck in the turbopump, preventing start up. August 22, 1992: Centaur failed to restart (icing problem). April 30, 1999: Launch of the USA 143 (Milstar DFS 3m) communications satellite failed when a Centaur database error resulted in uncontrolled roll rate and loss of attitude control, placing the satellite in a useless orbit. June 15, 2007: the engine in the Centaur upper stage of an Atlas V shut down early, leaving its payload — a pair of National Reconnaissance Office ocean surveillance satellites — in a lower than intended orbit. The failure was called "A major disappointment," though later statements claim the spacecraft will still be able to complete their mission. The cause was traced to a stuck open valve that depleted some of the hydrogen fuel, resulting in the second burn terminating four seconds early. and the next flight was nominal. March 23–25, 2018: Atlas V Centaur passivated second stage launched on September 8, 2009, broke up. August 30, 2018: Atlas V Centaur passivated second stage launched on September 17, 2014, broke up, creating space debris. April 6, 2019: Atlas V Centaur passivated second stage launched on October 17, 2018, broke up.