Введение
Ракета-носитель "Пегасус" – это многоступенчатая ракета, разработанная корпорацией Orbital Sciences Corporation (OSC), а затем построенная и запускаемая компанией Northrop Grumman. "Пегасус" – первая в мире частная ракета-носитель, предназначенная для вывода на орбиту. Способная выводить на низкую околоземную орбиту небольшие полезные нагрузки весом до, "Пегасус" совершила свой первый полет в 1990 году и оставалась в эксплуатации по состоянию на 2021 год. Ракета состоит из трех ступеней на твердом топливе и опциональной четвертой ступени с монотопливом. "Пегасус" сбрасывается с самолета-носителя на высоте примерно, используя крыло первой ступени и хвостовое оперение для создания подъемной силы и управления высотой в атмосфере. Первая ступень не оснащена системой управления вектором тяги (TVC).
Pegasus is an air launched multistage rocket developed by Orbital Sciences Corporation (OSC) and later built and launched by Northrop Grumman. Pegasus is the world's first privately developed orbital launch vehicle. Capable of carrying small payloads of up to into low Earth orbit, Pegasus first flew in 1990 and remained active as of 2021. The vehicle consists of three solid propellant stages and an optional monopropellant fourth stage. Pegasus is released from its carrier aircraft at approximately using a first stage wing and a tail to provide lift and altitude control while in the atmosphere. The first stage does not have a thrust vector control (TVC) system.
История
Пегас был разработан командой под руководством Антонио Элиаса. Три твердотопливных двигателя Orion были разработаны компанией Hercules Aerospace (позже Alliant Techsystems) специально для ракеты-носителя Pegasus, но с использованием передовых технологий углеродного волокна, состава топлива и теплоизоляции корпуса, первоначально разработанных для закрытой программы ВВС США по созданию малогабаритных межконтинентальных баллистических ракет. Конструкции крыла и стабилизаторов были разработаны Бертом Рутаном и его компанией Scaled Composites, которая изготовила их для Orbital. Масса: 18 500 кг (Pegasus), 23 130 кг (Pegasus XL). Проект разработки финансировался корпорацией Orbital Sciences Corporation и Hercules Aerospace и не получал государственного финансирования. Государственное финансирование было получено для поддержки оперативных испытаний. NASA предоставило использование самолета-носителя B-52 на возмещаемой основе в ходе разработки (испытания в полете с самолетом-носителем) и первых нескольких запусков. Два внутренних проекта Orbital – коммуникационная группировка Orbcomm и спутники наблюдения OrbView – послужили ключевыми клиентами, что помогло оправдать частное финансирование. До первого оперативного запуска 5 апреля 1990 года испытательных запусков "Пегаса" не проводилось, пилотом самолета-носителя был летчик-испытатель NASA и бывший астронавт Гордон Фуллертон. Первоначально в качестве самолета-носителя использовался B-52 Stratofortress NB 008, принадлежавший NASA. К 1994 году Orbital перешла на свой "Stargazer" L-1011 – переоборудованный авиалайнер, ранее принадлежавший Air Canada. Название "Stargazer" – дань уважения телесериалу "Звездный путь: Следующее поколение": персонаж Жан-Люк Пикар был капитаном корабля под названием Stargazer до событий сериала, а его первый офицер Уильям Райкер ранее служил на борту корабля под названием Pegasus. За 45 запусков программа "Пегас" потерпела три неудачи (STEP 1, STEP 2 и HETI/SAC B) и два частичных сбоя (USAF Microsat и STEP 2), после чего последовало 30 успешных запусков, что составило 89% успешных запусков в общей сложности. Первый частичный сбой 17 июля 1991 года привел к тому, что семь микроспутников ВВС США были выведены на орбиту ниже запланированной, что значительно сократило срок службы миссии. Последний неудачный запуск 4 ноября 1996 года привел к потере спутника HETE (High Energy Transient Explorer), предназначенного для регистрации гамма-всплесков. Pegasus XL, представленный в 1994 году, имеет удлиненные ступени для повышения грузоподъемности. В Pegasus XL первая и вторая ступени удлинены до Orion 50SXL и Orion 50XL соответственно. Более высокие ступени остались без изменений, операции полета аналогичны. Крыло немного усилено для выдерживания большего веса. Стандартный Pegasus был снят с производства, а Pegasus XL по состоянию на 2019 год остается в эксплуатации. Pegasus совершил 44 запуска в обеих конфигурациях, запустив 91 спутник по состоянию на 12 октября 2019 года. Возможно осуществление двойных запусков с использованием контейнера, который заключает нижний космический аппарат и устанавливает верхний. Верхний космический аппарат отделяется, контейнер открывается, затем нижний космический аппарат отделяется от адаптера третьей ступени. Поскольку обтекатель не изменился из-за соображений стоимости и аэродинамики, каждая из двух полезных нагрузок должна быть относительно компактной. Другие запуски нескольких спутников включают в себя конфигурации "самосборки", такие как космические аппараты ORBCOMM. За работу над разработкой ракеты команда Pegasus под руководством Антонио Элиаса была удостоена Национальной медали в области технологий 1991 года президентом США Джорджем Бушем-старшим. Первоначальная цена запуска составляла 6 миллионов долларов США без опционов и ступени маневрирования HAPS (Hydrazine Auxiliary Propulsion System). С переходом на Pegasus XL и связанными с этим улучшениями транспортного средства базовые цены увеличились. Кроме того, клиенты обычно приобретают дополнительные услуги, такие как дополнительное тестирование, проектирование и анализ, а также поддержка стартовой площадки. Серия технических проблем задержала запуск, который, наконец, состоялся 11 октября 2019 года. В июле 2019 года было объявлено, что Northrop Grumman потеряла контракт на запуск спутника Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE) в пользу SpaceX. Запуск IXPE планировался с помощью ракеты Pegasus XL, и он был разработан с учетом ограничений ракеты Pegasus XL. С исключением запуска IXPE из ракеты Pegasus XL в настоящее время (по состоянию на 12 октября 2019 года, после запуска ICON) нет объявленных космических запусков для ракеты Pegasus XL. Будущая (в стадии строительства по состоянию на 2019 год) миссия NASA Explorer программа Polarimeter to Unify the Corona and Heliosphere (PUNCH) планировалась к запуску с помощью Pegasus XL, но затем NASA приняло решение объединить запуски PUNCH и другой миссии Explorer, Tandem Reconnection and Cusp Electrodynamics Reconnaissance Satellites (TRACERS) (также в стадии строительства по состоянию на 2019 год). Эти две космические миссии, состоящие из 6 спутников, будут запущены одним носителем. Ожидается, что для этого двойного запуска будет выбран более мощный носитель. В августе 2022 года NASA объявило, что 4 микроспутника созвездия PUNCH будут запущены в качестве попутных грузов вместе со SPHEREx в апреле 2025 года на ракете SpaceX Falcon 9. У Northrop осталась одна ракета Pegasus XL на складе. Компания ищет клиентов для этих ракет. Northrop не планирует снимать ракету Pegasus XL с эксплуатации по состоянию на октябрь 2019 года.
Профиль запуска
В запуске "Пегаса" самолет-носитель взлетает с взлетно-посадочной полосы, оснащенной средствами поддержки и предстартовой проверки. К таким местам относятся Космический центр Кеннеди / станция ВВС Кейп-Канаверал (Флорида), авиабаза Ванденберг и Исследовательский центр полетов Драйдена (Калифорния), Авиационный центр Уоллопс (Вирджиния), полигон Кваджалейн в Тихом океане и Канарские острова в Атлантическом океане. Orbital предлагает запуски с Алкантары (Бразилия), однако ни один из известных клиентов их пока не осуществлял. По достижении заданного времени, местоположения и скорости самолет отпускает "Пегас". После пяти секунд свободного падения происходит запуск первой ступени, и ракета начинает подъем. Дельта-крыло с углом 45 градусов (из углеродного композита и с аэродинамическим профилем двойной клиновидности) облегчает подъем и обеспечивает некоторую подъемную силу. Хвостовые плавники обеспечивают управление на первом этапе полета, поскольку двигатель Orion 50S не оснащен управляемым соплом. Примерно через 1 минуту 17 секунд двигатель Orion 50S выключается. Ракета достигает высоты более 200 000 футов (61 км) и гиперзвуковой скорости. Первая ступень отделяется, унося с собой крыло и хвостовое оперение, и запускается вторая ступень. Двигатель Orion 50 работает около 1 минуты 18 секунд. Управление ориентацией осуществляется путем отклонения вектора тяги двигателя Orion 50 вокруг двух осей – тангажа и рыскания; управление креном обеспечивается азотными двигателями на третьей ступени. К середине работы второй ступени ракета достигает высоты, близкой к вакууму. Обтекатель разделяется и отпадает, открывая полезную нагрузку и третью ступень. После выключения двигателя второй ступени, ступень ведет баллистический полет до достижения подходящей точки траектории, зависящей от задачи миссии. Затем Orion 50 отбрасывается, и запускается двигатель Orion 38 третьей ступени. Он также оснащен управляемым соплом, дополненным азотными двигателями для управления креном. Примерно через 64 секунды третий этап выключается. Иногда добавляется четвертая ступень для достижения большей высоты, более точной высотной ориентации или выполнения более сложных маневров. HAPS (Hydrazine Auxiliary Propulsion System) работает от трех перезапускаемых моногидразиновых двигателей. Как и в случае двойных запусков, HAPS уменьшает полезный объем, доступный для полезной нагрузки. По крайней мере, в одном случае космический аппарат был спроектирован с учетом HAPS. Навигация осуществляется с помощью 32-битного компьютера и инерциального навигационного блока (ИНБ). GPS-приемник предоставляет дополнительную информацию. Благодаря воздушному старту и подъемной силе крыла, алгоритм полета первой ступени разрабатывается индивидуально. Траектории второй и третьей ступеней баллистические, а их наведение основано на алгоритме, используемом для космического шаттла.
Перевозчики
Самолет-носитель (первоначально NASA B-52, а сейчас L-1011, принадлежащий Northrop Grumman) служит в качестве ускорителя для увеличения массы полезной нагрузки при снижении затрат. Он достигает всего лишь 4% от высоты низкой околоземной орбиты, а дозвуковой самолет – лишь около 3% от орбитальной скорости, однако, доставив ракету-носитель до этой скорости и высоты, многоразовый самолет заменяет дорогостоящую первую ступень ракеты-носителя. В октябре 2016 года Orbital ATK объявила о партнерстве с Stratolaunch Systems для запуска ракет Pegasus XL с гигантского Stratolaunch от Scaled Composites, который способен запускать до трех ракет Pegasus XL за один полет.
Связанные проекты
Компоненты "Пегаса" также легли в основу других ракет-носителей корпорации Orbital Sciences. Наземная ракета-носитель "Taurus" устанавливает ступени "Пегаса" и более крупный обтекатель на первой ступени Castor 120, разработанной на базе первой ступени ракеты MX "Peacekeeper". Первоначальные запуски использовали восстановленные первые ступени MX. "Минотавр I", также запускаемый с земли, представляет собой комбинацию ступеней ракет-носителей "Taurus" и ракет "Minuteman", отсюда и название. Первые две ступени взяты от "Minuteman II"; верхние ступени – Orion 50XL и 38. В связи с использованием избыточных военных ракетных двигателей, он используется исключительно для правительственных и спонсируемых правительством полезных нагрузок США. Третья ракета-носитель получила название "Минотавр IV", несмотря на отсутствие в ней ступеней "Minuteman". Она состоит из восстановленного MX с Orion 38, добавленным в качестве четвертой ступени. Гиперзвуковые экспериментальные аппараты NASA X-43A выводились в космос первыми ступенями "Пегаса". Верхние ступени были заменены на открытые модели летательных аппаратов с прямоточным воздушно-реактивным двигателем (ПВРД). Ступени Orion разогнали X-43 до скорости и высоты, необходимых для запуска, после чего были отброшены. После запуска ПВРД и сбора данных о полете, экспериментальные аппараты также падали в Тихий океан. Наиболее многочисленным вариантом на базе "Пегаса" является ускоритель для перехватчика системы противоракетной обороны на средней стадии траектории (GBMD), по сути, "Пегас", запускаемый вертикально (из шахты) без крыльев и стабилизаторов, а первая ступень модифицирована добавлением системы управления вектором тяги (TVC).
Неудача запуска
Полет F 6, 27 июня 1994 года: аппарат потерял управление через 35 секунд после старта, связь по телеметрии была потеряна через 38 секунд после старта, служба обеспечения безопасности полетов дала команду на прекращение полета через 39 секунд после старта. Вероятной причиной потери управления была некорректная аэродинамическая модель удлиненной (XL) версии, чей первый полет состоялся в данном рейсе. Ракета-носитель Pegasus вывела на орбиту спутник Space Test Experiments Platform, Миссия 1 (STEP 1) в рамках космической испытательной программы Министерства обороны. Полет F 9, 22 июня 1995 года: межступенчатое кольцо между первой и второй ступенями не отделилось, что заблокировало движение сопла второй ступени. В результате ракета отклонилась от заданной траектории и была уничтожена службой обеспечения безопасности полетов. Ракета-носитель Pegasus вывела на орбиту спутник Space Test Experiments Platform, Миссия 3 (STEP 3) в рамках космической испытательной программы Министерства обороны. Полет F 14, 4 ноября 1996 года: отделение полезной нагрузки не произошло из-за разряженной батареи, предназначенной для запуска пиротехнических устройств отделения. Наиболее вероятной причиной является повреждение батареи во время запуска. Потерянными полезными нагрузками были аппарат High Energy Transient Explorer и аргентинский спутник SAC B.
Частичные успехи
Полет F 2, 17 июля 1991 года: Неисправная пиротехническая система вызвала отклонение ракеты от курса при разделении первой ступени, что привело к неконтролируемым маневрам, помешавшим ракете выйти на расчетную орбиту, и срок службы миссии, запланированный на 3 года, был сокращен до 6 месяцев. Полет F 5, 19 мая 1994 года: ошибка в программном обеспечении навигации привела к преждевременному отключению верхней ступени HAPS, в результате чего ракета вышла на орбиту ниже запланированной. Ракета-носитель Pegasus вывела на орбиту спутник Космической испытательной программы Министерства обороны – Платформа космических экспериментов, Миссия 2 (STEP 2).