Атлас-Центавр: История американской ракеты-носителя

Введение

Семейство космических ракет-носителей

Atlas Centaur был американской одноразовой ракетой-носителем, созданной на базе баллистической ракеты SM-65 Atlas D. Ракета оснащалась верхней ступенью Centaur – первой ступенью такого типа, использовавшей высокоэффективный жидкий водород в качестве топлива. Запуски осуществлялись с площадки 36 на авиабазе Кейп-Канаверал (CCAFS) во Флориде. После интенсивной программы летных испытаний, Atlas Centaur успешно выводил на орбиту ряд важнейших космических аппаратов для Соединенных Штатов, включая Surveyor 1, Mariner 4 и Pioneer 10/11. Ракета постоянно модернизировалась и совершенствовалась вплоть до 1990-х годов, а её последним прямым потомком стала высокоуспешная Atlas II.

Раннее развитие

Конвейр, производитель ракеты-носителя Atlas, разработал верхнюю ступень Centaur специально для этой ракеты, используя её конструкцию с баками, стабилизированными давлением.

Технические

Centaur стала первой ракетной ступенью, использовавшей жидкий водород (LH2) и жидкий кислород (LOX) в качестве топлива. Несмотря на высокую эффективность, LH2 требовалось охлаждать до экстремально низких температур (ниже, чем у LOX), а его низкая плотность означала необходимость в больших топливных баках. Первой попыткой использования двигателя на топливе LH2/LOX была сверхсекретная программа ВВС США по созданию разведывательного самолета Lockheed CL 400 Suntan в середине 1950-х годов. Наработки, полученные в ходе несостоявшегося проекта, были подхвачены Convair и другими компаниями для использования в ракетных ступенях. Изначально Centaur задумывался как чисто экспериментальный проект для приобретения опыта в разработке более крупных и мощных ракетных ступеней, чтобы не отвлекать Convair от приоритетной программы ракеты SM 65 Atlas. Convair разработал специально усиленную версию ракеты-носителя Atlas D для стыковки со ступенями Centaur; Atlas был оснащен модернизированным разгонным блоком MA 5, который имел по два турбонасоса на каждом двигателе разгонного блока, а конструкция была усилена для большой верхней ступени, а также удлиненными топливными баками. Разработка Centaur была несколько осложнена из-за настойчия на модификации компонентов Atlas вместо разработки совершенно новых. Это было обусловлено соображениями времени и бюджета, а также тем, что это позволило производить Centaur на существующей сборочной линии Atlas на предприятии Convair. Двигатели производились компанией Pratt & Whitney.

Программа

Первоначально находившийся под контролем ARPA, "Центавр" был передан НАСА в июле 1959 года, спустя одиннадцать месяцев после начала программы. Военно-воздушные силы сохранили общее руководство частично из-за планов использовать "Центавр" для запуска сети военных коммуникационных спутников под названием ADVENT. Созвездие из десяти спутников должно было обеспечить круглосуточную мгновенную связь для трех основных родов войск США. Первые три должны были быть запущены на "Атлас Агена", а остальные – на "Центавре". Проект ADVENT так и не был реализован, но "Центавр" быстро нашел применение в нескольких планетарных программах НАСА, в частности, в проектах "Маринер" и "Сервейер". Первоначальная нехватка финансирования привела к значительному увеличению сроков реализации проекта. Согласно первоначальному графику, первый полет "Центавра" должен был состояться в январе 1961 года.

Первый полет

В октябре 1961 года первый Atlas Centaur (Vehicle Flight 1: Atlas 104D и Centaur F 1) прибыл на мыс Канаверал и был установлен на только что завершенной и специально построенной стартовой площадке LC 36A. Технические проблемы привели к тому, что ракета простояла на стартовой площадке семь месяцев, наиболее серьезной из которых была утечка жидкого водорода через промежуточную переборку, разделяющую топливные баки, в сочетании с многочисленными менее значительными неисправностями систем управления и двигательной установки.

Неудача

Корабль был запущен в 2:49 по восточному времени (18:49 GMT) 8 мая 1962 года с намерением выполнить один импульс с частично заправленным "Центавром". Менее чем через минуту после запуска ступень "Центавра" разрушилась и распалась, увлекая за собой "Атлас" в течение нескольких секунд. Сначала было неясно, что вызвало отказ, поскольку кадры с камер слежения показывали лишь большое белое облако, окутавшее ракету-носитель, за которым последовал взрыв всей ракеты-носителя. Первоначальные предположения сводились к тому, что у "Атласа" произошел отказ бака жидкого кислорода (LOX), либо из-за проблем с давлением, разрыва бака от обломков, либо структурных деформаций/аэродинамических проблем, вызванных непроверенной комбинацией "Атлас-Центавр". Действительно, на запусках "Атласа" уже наблюдались подобные отказы. Полет Скотта Карпентера на "Меркурии" был назначен на ближайшие дни, и если отказ был вызван "Атласом", это могло привести к значительной задержке этой миссии, для которой использовался аналогичный ускоритель Atlas LV 3B, созданный на базе "Атласа D". Однако анализ данных телеметрии и более детальное изучение кинохроники запуска быстро подтвердили, что источник проблемы – "Центавр". Было установлено, что отказ был вызван изоляционной панелью, которая оторвалась от "Центавра" во время подъема, что привело к скачку давления в баке при перегреве жидкого водорода (LH2). Начиная с T+44 секунды, пневматическая система отреагировала, сбрасывая топливо для снижения давления, но в конечном итоге оно превысило предел прочности бака LH2. На T+54 секунды "Центавр" испытал полное структурное разрушение и потерю телеметрии, бак LOX разорвался, вызвав взрыв при смешивании с облаком водорода. Через две секунды летящие обломки прорвали бак LOX "Атласа", после чего последовало полное уничтожение ракеты-носителя. Панель должна была отделиться на высоте 80 км, где воздух более разрежен, но механизм ее удержания был спроектирован с недостатками, что привело к преждевременному отделению. Еще во время разработки "Центавра" изоляционные панели подозревались как потенциально проблемная область, и возможность разрыва бака LH2 рассматривалась как один из сценариев отказа. Испытания были приостановлены, пока велись работы по устранению конструктивных недостатков "Центавра".

The vehicle was launched at 2:49 PM EST (18:49 GMT) on 8 May 1962, with the intention of performing a single burn with a partially fueled Centaur. Slightly under a minute into the launch, the Centaur stage ruptured and disintegrated, taking the Atlas with it in a matter of seconds. It was unclear what had caused the failure at first, as tracking camera footage merely showed a large white cloud enveloping the booster followed by the explosion of the entire launch vehicle. Initial assumptions were that Atlas had suffered a LOX tank failure, either from a pressurization problem, rupture of the tank from flying debris, or structural bending/aerodynamic issues caused by the unproven Atlas Centaur combination, and indeed there had been several previous occurrences of these failure modes on Atlas launches. Scott Carpenter's Mercury flight was only days away, and if the failure were caused by the Atlas, it could mean significant delays for that mission, which used a similar Atlas D derived Atlas LV 3B booster. However, analysis of telemetry data and closer examination of the launch films quickly confirmed the Centaur as the source of trouble. The failure was determined to be caused by an insulation panel that ripped off the Centaur during ascent, resulting in a surge in tank pressure when the LH2 overheated. Beginning at T+44 seconds, the pneumatic system responded by venting propellant to reduce pressure levels, but eventually, they exceeded the LH2 tank's structural strength. At T+54 seconds, the Centaur experienced total structural breakup and loss of telemetry, the LOX tank rupturing and producing an explosion as it mixed with the hydrogen cloud. Two seconds later, flying debris ruptured the Atlas's LOX tank followed by complete destruction of the launch vehicle. The panel had been meant to jettison at 49 miles (80 km) up when the air was thinner, but the mechanism holding it in place was designed inadequately, leading to premature separation. The insulation panels had already been suspected during Centaur development of being a potential problem area, and the possibility of an LH2 tank rupture was considered as a failure scenario. Testing was suspended while efforts were made to correct the Centaur's design flaws.

Расследование

В июне 1962 года конгрессское расследование назвало общее управление программой "Кентавр" "слабым", а Вернер фон Браун рекомендовал её отменить в пользу "Сатурна-I" с верхней ступенью "Агены" для планетарных миссий. Кроме того, серийная ступень "Кентавр" имела меньшую грузоподъемность, чем планировалось изначально, что привело к отмене проекта ADVENT агентством ARPA. NASA перенесло разработку "Кентавра" из MSFC в Исследовательский центр Льюиса в Огайо, где команда под руководством Абе Сильверштейна работала над устранением проблем с изоляционными панелями и различными другими конструктивными недостатками. В ноябре 1962 года президент Кеннеди предложил полностью отменить "Кентавр", но его отговорили, сославшись на то, что опыт, полученный при работе с жидководородными ракетными двигателями, был жизненно важен для успеха программы "Аполлон". Кроме того, фон Браун предложил отказаться от концепции "Сатурн-Агена" из-за её стоимости – "Сатурн" был слишком дорог для использования в качестве ракеты-носителя для небольших беспилотных зондов, а надёжность "Агены" вызывала опасения как у ВВС, так и у NASA. Восемь лётных испытаний Atlas Centaur должны были быть завершены к концу 1964 года, после чего планировался первый запуск программы Surveyor. В связи с прямой связью с программой "Аполлон", "Кентавр" был повышен до проекта высокого приоритета. Тем временем, Министерство обороны (DoD) остановило свой выбор на семействе ракет "Титан" для запуска тяжелых грузов, поэтому Atlas Centaur остался гражданской ракетой-носителем, используемой NASA для запуска научных и коммерческих полезных нагрузок. Существовал также конфликт между ВВС, осуществлявшими основной надзор за Atlas, и NASA, поскольку ступень "Кентавр" требовала различных модификаций базового Atlas. К 1962 году ВВС считали Atlas полностью разработанным и готовым к эксплуатации и выступали против каких-либо дальнейших существенных изменений, которые могли бы потенциально поставить под угрозу программу межконтинентальных баллистических ракет (МБР). Спор был окончательно разрешен, когда NASA согласилось закупать стандартные ракеты Atlas D, которые могли быть модифицированы для запусков "Кентавра". Однако, после завершения программы Atlas ICBM в 1965 году, Convair заменила все предыдущие модификации стандартизированным ускорителем для всех космических запусков.

A Congressional investigation in June 1962 called the overall management of the Centaur program "weak", and Wernher von Braun recommended that it be cancelled in favor of a Saturn I with an Agena upper stage for planetary missions. In addition, the production Centaur stage had less lift capacity than originally planned, leading to ARPA cancelling Project ADVENT. NASA transferred Centaur development from MSFC to the Lewis Research Center in Ohio where a team headed by Abe Silverstein worked to correct the insulation panel problems and various other design flaws. In November 1962, President Kennedy suggested cancelling Centaur entirely, but was talked out of it on the grounds that the experience gained with liquid hydrogen rocket engines was vital to the success of the Apollo program. In addition, von Braun now proposed the Saturn Agena be ruled out for cost reasons – Saturn was too expensive to justify as a launch vehicle for small uncrewed probes, and Agena was causing concerns to both the Air Force and NASA about its reliability. Eight Atlas Centaur test missions were scheduled to be completed by the end of 1964, followed by the first Surveyor program launch. Centaur was upgraded to a high priority project because of this direct relation to Apollo. Meanwhile, the Department of Defense (DoD) had settled on the Titan family for its heavy lift launching needs and so the Atlas Centaur would remain a civilian launch vehicle used by NASA to fly scientific and commercial payloads. A conflict between the Air Force, who had primary oversight of the Atlas, and NASA also existed as the Centaur stage required various modifications to the basic Atlas. By 1962, the Air Force had considered the Atlas fully developed and operational and was against any further significant changes to it which might potentially jeopardize the ICBM program. The dispute was ultimately resolved by NASA agreeing to purchase standard Atlas D vehicles which could be custom modified for Centaur launches. However, when the Atlas ICBM program ended in 1965, Convair replaced all of the earlier variants with a standardized booster for all space launches.

Второй полет

Более года спустя, 27 ноября 1963 года в 19:03:23 по Гринвичу, состоялся запуск AC 2 (Atlas 126D и ступень Centaur #2) – через пять дней после убийства президента Кеннеди. Модернизированная ступень Centaur функционировала без каких-либо проблем и выполнила один импульс для выхода на геостационарную переходную орбиту (ГПО) (орбита 474 x 1586 км, наклонение 30,4° и период обращения 105,8 минут), на которой она остаётся по состоянию на 2021 год. Изоляционные панели были надёжно закреплены на ступени, так как проблема их сброса оставалась нерешённой. Данные о вибрации подтвердили, что панели могли бы отделиться преждевременно, если бы не были прикреплены болтами. Окончательное решение проблемы с панелями увеличило сухую массу Centaur, что ещё больше снизило его грузоподъёмность. Эта ракета-носитель Atlas Centaur 2 использовалась для испытаний характеристик и прочности конструкции. Она несла полезную нагрузку массой 4621 кг, оснащённую 907 кг датчиков, оборудования и телеметрической аппаратуры.

Третий полет

Полет AC 3 (Atlas 135D и Centaur #3) был запущен 30 июня 1964 года в 14:04:22 по Гринвичу с полезной нагрузкой 4815 кг. Характеристики Atlas были близки к номинальным, при этом в течение первых 70 секунд полета работа поддерживающего двигателя была немного богаче кислородом, а траектория оказалась более высокой, чем ожидалось. Впервые были испытаны сброс изоляционных панелей и обтекателя полезной нагрузки. После разделения ступеней Centaur и запуска двигателя, двигатель номер два (C 2) начал терять управление по каналу крена. Двигатель C 1 смог некоторое время компенсировать это, но Centaur в конечном итоге потерял управление и начал вращаться. Преждевременное выключение двигателя из-за нехватки топлива произошло на T+496 секунде, и Centaur упал в Южную Атлантику. Послеполетное расследование установило, что причиной неисправности стал отказ гидравлического привода карданного подвеса двигателя Centaur 2.

Четвертый рейс

Полет AC 4 (Atlas 146D и Centaur #4) был запущен 11 декабря 1964 года в 14:25:02 по Гринвичу с полезной нагрузкой 2993 кг (которая несла макет космического аппарата Surveyor). Были проведены испытания двигательной установки и разделения ступеней после двух отмененных попыток из-за неблагоприятных погодных условий. Система наведения впервые была использована в режиме замкнутого контура, и была предпринята попытка утилизировать обтекатель полезной нагрузки, оснащенный воздушным шаром для выпуска зеленого дымового красителя в океан. Обтекатель был замечен поисковыми группами, но затонул и не был найден. Фаза полета "Атлас" и начальная фаза полета "Кентавр" прошли штатно. Миссия пошла не по плану, когда "Кентавр" не удалось перезапустить из-за неудачной конструкторской модификации – размеры двигателей малой тяги были уменьшены для экономии веса, однако их оказалось недостаточно для осадки топлива в баках. Впоследствии, выброс водорода привел к неконтролируемому вращению аппарата. После десяти оборотов "Кентавр" вошел в атмосферу над южной частью Тихого океана 12 декабря 1964 года.

Пятый рейс

Полет AC 5 (Atlas 156D) 2 марта 1965 года в 13:25 по Гринвичу с мыса Кеннеди на высокоэллиптической орбите с полезной нагрузкой (Surveyor SD 1) весом 951 кг должен был выполнить только одно включение двигателей Centaur C, и представители программы были в этом уверены. Эта миссия была разработана для отработки полного включения верхней ступени Centaur в поддержку программы лунных посадочных аппаратов "Сурвейор". В ходе обычной миссии Centaur должен был вывести полезную нагрузку на прямую траекторию к Луне. В рамках этого испытательного полета NASA планировало вывести полезную нагрузку – нефункциональную динамическую модель, известную как SD 1 – на орбиту 167 × 926,625 км, имитирующую траекторию перелета к Луне.

Неудача

Полет быстро завершился катастрофой: двигатели первой ступени ракеты Atlas отключились после нескольких футов подъема, и ракета упала обратно на стартовую площадку LC 36A, где и взорвалась. Выделившийся жидкий водород (LH2) из второй ступени Centaur воспламенился, образовав огромный огненный шар – самый мощный взрыв на стартовой площадке, когда-либо произошедший на мысе Канаверал. Это был первый Atlas Centaur, оснащенный двигателями первой ступени MA-5 с повышенной тягой, после предыдущих испытаний на двух полетах Atlas Agena. Повреждения стартовой площадки LC 36A оказались не такими серьезными, как предполагалось, и основные ремонтные работы были завершены в течение трех месяцев, при этом завершение строительства LC 36B также было ускорено. Большинство повреждений носили термический, а не структурный характер. Верхняя часть пуповинной мачты, находившаяся в эпицентре взрыва LH2, подверглась воздействию температур в 3315 °C.

Расследование

Неудача AC-5 привела к очередному расследованию в Конгрессе, вновь возглавляемому конгрессменом Джозефом Картом, который заявил, что на данный момент на Centaur было потрачено 600 миллионов долларов налогоплательщиков, но результаты оказались незначительными, и что компания Convair злоупотребляет своим положением единственного поставщика ракеты-носителя Atlas Centaur. Комитет предложил НАСА рассмотреть альтернативные варианты для программы планетарных зондов, такие как Titan IIIC, или передать производство Centaur другим подрядчикам. Представители НАСА возразили, заявив, что это невозможно, поскольку ни одна другая аэрокосмическая компания не обладает опытом и техническими возможностями для изготовления сферических топливных баков Centaur.

Последующие полеты

Платформа LC 36B была спешно введена в эксплуатацию, и успешный AC 6 (аппарат 151D) был запущен 11 августа 1965 года в 14:31:04 по Гринвичу. Хотя Centaur был готов к полету, программа "Сурвейер" была задержана. Аппараты AC 7 и AC 10 были назначены для первых миссий "Сурвейер", а AC 8 – для проведения еще одного испытания, которое состоялось 8 апреля 1966 года в 01:00:02 по Гринвичу с полезной нагрузкой в 771 кг – макет Surveyor M 1. Управляющие двигатели Centaur снова вышли из строя из-за недостаточного количества топлива для выполнения миссии. Он прекратил существование 5 мая 1966 года. Было запущено семь аппаратов "Сурвейер", все на ракетах Atlas Centaur. Начиная с AC 13 (Surveyor 5), аппараты Atlas Centaur стали использовать стандартизированный центральный блок SLV 3 Atlas.

Оперативные запуски

Первоначально в качестве первой ступени использовалась модифицированная ракета Atlas D с обозначением LV 3C. Она была быстро заменена на SLV 3C, а затем на SLV 3D, обе созданы на базе стандартной ракеты Atlas SLV 3. Два космических полёта с космическими аппаратами Pioneer 10 и Pioneer 11 к Юпитеру, Сатурну и за пределы Солнечной системы использовали спин-стабилизированную твердотопливную ступень "Star 37E" весом 2473 фунта, которая добавляла 8000 миль в час к скорости космических аппаратов. После прекращения эксплуатации ступени Agena в 1978 году все ракеты Atlas, начиная с этого момента, комплектовались Centaur, за исключением нескольких военных запусков с использованием выведенных из эксплуатации ракет Atlas E/F. Первоначально разработанная и построенная подразделением Convair компании General Dynamics в Сан-Диего, Калифорния, производство Atlas Centaur на Convair было прекращено в 1995 году, но возобновлено в Lockheed Martin в Колорадо. Список идентификационных номеров Atlas Centaur начался с AC 1, запущенного 8 мая 1962 года, и закончился последней ракетой Atlas III (Centaur), AC 206, запущенной 3 февраля 2005 года. Ракета Atlas Centaur, работавшая на двигателях Rocketdyne, иногда называлась ракетой-носителем «два с половиной этапа», поскольку первая ступень Atlas (в большинстве случаев) отбрасывала двигатель с двумя камерами тяги до завершения работы первой ступени. Atlas Centaur с двигателем Rocketdyne был использован для 167 запусков в период с 1962 по 2004 год, после чего его сменил Atlas V с новой первой ступенью, оснащенной гораздо более мощным российским двухкамерным двигателем РД-180. (Atlas V обычно не называют «Atlas Centaur» и не имеет серийных номеров AC оригинального Atlas Centaur, у которого были первые ступени, стабилизированные давлением.)

Неисправность AC-33

20 февраля 1975 года ракета-носитель AC 33 стартовала со спутником связи Intelsat IV F 6. Полет проходил штатно до момента BECO на T+140 секундах. Во время отделения ускорителя страховочный трос, предназначенный для извлечения электрического разъема, обеспечивающего питание секции ускорителя, не отсоединился, что вызвало скачок напряжения и перезагрузку бортового компьютера управления Atlas. В результате ускоритель отклонился от заданного курса. SECO был осуществлен вовремя на T+401 секунде, после чего последовало отделение Centaur и запуск двигателя, однако стало очевидно, что траектория приведет к падению в Атлантический океан вместо выхода на орбиту, и поэтому офицер безопасности полигона (RSO) отдал команду на самоликвидацию на T+413 секунде. Расследование показало, что трос был не только спроектирован с недостатками, но и являлся серийным компонентом, предназначенным для морского оборудования, а не для ракет или самолетов. Проблемы с тросом были выявлены еще в 1967 году, и хотя на некоторых ракетах-носителях Atlas SLV, а также ракетах серий Atlas E/F были проведены работы по их устранению, не было предпринято комплексных мер по замене их на более подходящий компонент. Резервный спутник Intelsat (Intelsat IV F 1) был успешно запущен на AC 35 в мае 1975 года.

Неисправность AC-43

Два года спустя, 29 сентября 1977 года, на стартовом комплексе AC 43 была предпринята еще одна попытка запуска спутника связи Intelsat (Intelsat IVA F 5). Вскоре после взлета в тяговой секции ракеты-носителя "Атлас" были обнаружены аномальные температуры, которые продолжали расти по мере набора высоты. Видимое пламя в тяговой секции появилось на 33-й секунде полета (T+33), а на 55-й секунде (T+55) была потеряна гидравлическая система управления вектором тяги разгонного блока, что привело к полной потере управления ракетой. Обтекатель полезной нагрузки и спутник были сброшены с ракеты-носителя, после чего на 60-й секунде (T+60) "Атлас" взорвался из-за воспламенения топливных баков в тяговой секции. Разгонный блок "Центавр" продолжал свободный полет, пока не был уничтожен офицером по безопасности полигона через несколько секунд. Специалисты NASA и ВВС США, уже расследовавшие неудачный запуск ракеты-носителя "Дельта" три недели назад (OTS 1), подняли двигатели "Атласа" со дна океана и отправили их в компанию Convair для проведения экспертизы. В результате было установлено, что причиной перегрева и пожара в тяговой секции "Атласа" стала утечка в газогенераторе, вызванная некачественной пайкой трубы. Эта труба также подверглась коррозии из-за шести лет хранения на складе во влажном соленом воздухе побережья Флориды, а повреждение находилось в зоне, недоступной для осмотра при предполетной проверке. Ракета "Атлас", использованная в этом полете, была доставлена на космодром в 1971 году и с тех пор находилась на хранении, что было необычно длительным сроком. После аварии NASA проверила весь парк ракет "Атлас" и обнаружила несколько других труб с дефектами пайки, которые потребовалось заменить.

Неисправность AC-67

26 марта 1987 года ракете-носителю AC 67 не удалось вывести на орбиту спутник FLTSATCOM ВМС. Погода в тот день была неблагоприятной: густые облака и осадки от умеренных до сильных. Погодные условия нарушили один из критериев запуска ("Траектория полета ракеты не должна проходить через облака среднего яруса глубиной 6000 футов и более, если уровень промерзания находится внутри этих облаков."), при этом метеорологи сочли основной проблемой обледенение, а не риск удара молнии. После обсуждения рисков, связанных с обледенением, руководители программы NASA дали разрешение на запуск. Примерно через 48 секунд после старта ракету "Атлас" поразила молния. Управление ракетой-носителем начало теряться, и на отметке T+50 секунд она разрушилась из-за структурных перегрузок. Офицер по безопасности полетов отдал команду на самоуничтожение, но нет никаких свидетельств того, что ракета-носитель ее получила. Обломки выпали из облаков на стартовую площадку, береговую линию и в прибрежные воды, откуда их легко извлекли. В обтекателе полезной нагрузки было обнаружено несколько небольших прожогов, вызванных повторными ударами молнии. Ключевым доказательством стал бортовой компьютер "Атласа", который был найден целым и передан на экспертизу. Было установлено, что последней командой был сигнал на резкое отклонение двигателей вправо, вызванный, по всей видимости, электромагнитным импульсом, возникшим при ударе молнии и изменившим одно слово в программе наведения. Этот запуск послужил причиной серьезного пересмотра погодных инструкций на мысе Канаверал. 45-я метеорологическая эскадрилья использует правила, разработанные после этого инцидента, для определения возможности проведения запуска в текущих погодных условиях.