Centauro (etapa de cohete)

Un motor dual Centaur etapa

Etapa centaur durante el montaje en General Dynamics, 1962

Diagrama del tanque de la etapa Centaur

El Centaur es una familia de etapas superiores propulsadas por cohetes producidas por el proveedor de servicios de lanzamiento estadounidense United Launch Alliance, con una versión activa principal y una versión en desarrollo. El Common Centaur/Centaur III de 3,05 m (10,0 ft) de diámetro vuela como la etapa superior del vehículo de lanzamiento Atlas V, y el Centaur V de 5,4 m (18 ft) de diámetro se está desarrollando como la etapa superior del nuevo vehículo de lanzamiento de ULA. Cohete Vulcano. Centaur fue la primera etapa de un cohete en usar hidrógeno líquido (LH₂) y oxígeno líquido (LOX), una combinación de alta energía que es ideal para las etapas superiores pero que tiene importantes dificultades de manejo.

Características

Common Centaur está construido alrededor de tanques propulsores de globos de acero inoxidable estabilizados a presión con paredes de 0,51 mm (0,020 pulgadas) de espesor. Puede levantar cargas útiles de hasta 19 000 kg (42 000 lb). Las paredes delgadas minimizan la masa de los tanques, maximizando el rendimiento general del escenario.

Un mamparo común separa los tanques LOX y LH2, lo que reduce aún más la masa del tanque. Está formado por dos pieles de acero inoxidable separadas por un panal de fibra de vidrio. El panal de fibra de vidrio minimiza la transferencia de calor entre el LH₂ extremadamente frío y el LOX relativamente cálido.

El sistema de propulsión principal consta de uno o dos motores Aerojet Rocketdyne RL10. La etapa tiene capacidad para hasta doce reinicios, limitados por el propulsor, la vida útil orbital y los requisitos de la misión. Combinado con el aislamiento de los tanques de propulsor, esto le permite a Centaur realizar las inercias de varias horas y las múltiples quemas del motor requeridas en inserciones orbitales complejas.

El sistema de control de reacción (RCS) también proporciona vacío y consta de veinte motores monopropulsores de hidracina ubicados alrededor del escenario en dos cápsulas de 2 propulsores y cuatro cápsulas de 4 propulsores. Como propulsor, se almacenan 150 kg (340 lb) de hidracina en un par de tanques de vejiga y se alimentan a los motores RCS con gas helio presurizado, que también se utiliza para realizar algunas funciones principales del motor.

Versiones actuales

A partir de 2019, todas menos dos de las muchas variantes de Centaur se habían retirado: Common Centaur/Centaur III (activo) y Centaur V (en desarrollo).

Motores actuales

Centauro III/Centauro común

Common Centaur es la etapa superior del cohete Atlas V. Los Centauros Comunes anteriores fueron impulsados por la versión RL10-A-4-2 del RL-10. Desde 2014, Common Centaur ha volado con el motor RL10-C-1, que se comparte con Delta Cryogenic Second Stage, para reducir costos. La configuración Dual Engine Centaur (DEC) continuará usando el RL10-A-4-2 más pequeño para acomodar dos motores en el espacio disponible.

El Atlas V puede volar en varias configuraciones, pero solo una afecta la forma en que Centaur se integra con el propulsor y el carenado: el carenado de carga útil Atlas V de 5,4 m (18 pies) de diámetro se conecta al propulsor y encapsula la etapa superior y la carga útil, enrutar las cargas aerodinámicas inducidas por el carenado hacia el propulsor. Si se utiliza el carenado de carga útil de 4 m (13 pies) de diámetro, el punto de conexión se encuentra en la parte superior (extremo delantero) del Centaur, enrutando las cargas a través de la estructura del tanque Centaur.

Los últimos Common Centaurs pueden acomodar cargas útiles secundarias utilizando un Bulkhead Carrier trasero conectado al extremo del motor del escenario.

Centauro monomotor (SEC)

La mayoría de las cargas útiles se lanzan en Single Engine Centaur (SEC) con un RL10. Esta es la variante para todos los vuelos normales del Atlas V (indicado por el último dígito del sistema de nombres, por ejemplo Atlas V 421).

Centauro de dos motores (DEC)

Hay disponible una variante de motor dual con dos motores RL-10, pero solo para el lanzamiento de la nave espacial tripulada CST-100 Starliner y posiblemente el avión espacial de logística Dream Chaser ISS. El mayor empuje de dos motores permite un ascenso más suave con más velocidad horizontal y menos velocidad vertical, lo que reduce la desaceleración a niveles de supervivencia en caso de que se produzca un aborto de lanzamiento y un reingreso balístico en cualquier punto del vuelo.

Centauro V

Centaur V será la etapa superior del nuevo vehículo de lanzamiento Vulcan que actualmente está desarrollando United Launch Alliance para satisfacer las necesidades del programa National Security Space Launch (NSSL). Inicialmente, Vulcan estaba destinado a entrar en servicio con una variante mejorada del Common Centaur, con una actualización a la etapa evolucionada criogénica avanzada (ACES) planeada después de los primeros años de vuelos.

A fines de 2017, ULA decidió traer elementos de la etapa superior de ACES y comenzar a trabajar en Centaur V. Centaur V tendrá ACES' 5,4 m (18 pies) de diámetro y aislamiento avanzado, pero no incluye la función de fluidos integrados del vehículo (IVF) que se espera que permita extender la vida útil en órbita de la etapa superior de horas a semanas. Centaur V utilizará dos versiones diferentes del motor RL10-C con extensiones de boquilla para mejorar el consumo de combustible para las cargas útiles más pesadas. Esta mayor capacidad sobre Common Centaur permitirá a ULA cumplir con los requisitos de NSSL y retirar las familias de cohetes Atlas V y Delta IV Heavy antes de lo planeado inicialmente. El nuevo cohete se convirtió públicamente en Vulcan Centaur en marzo de 2018. En mayo de 2018, el Aerojet Rocketdyne RL10 se anunció como el motor Centaur V después de un proceso de adquisición competitivo contra el Blue Origin BE-3. Cada etapa montará dos motores. En septiembre de 2020, ULA anunció que ACES ya no se estaba desarrollando y que, en su lugar, se usaría Centaur V. Tory Bruno, director ejecutivo de ULA, afirmó que el Centaur 5 de Vulcan tendrá un 40 % más de resistencia y dos veces y media más energía que la etapa superior que actualmente vuela ULA. “Pero eso es solo la punta del iceberg”, explicó Bruno. “Voy a aumentar hasta 450, 500, 600 veces la resistencia en los próximos años. Eso permitirá un conjunto completamente nuevo de misiones que ni siquiera puedes imaginar hacer hoy”.

Historia

El concepto Centaur se originó en 1956 cuando Convair comenzó a estudiar una etapa superior alimentada con hidrógeno líquido. El proyecto resultante comenzó en 1958 como una empresa conjunta entre Convair, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada (ARPA) y la Fuerza Aérea de EE. UU. En 1959, la NASA asumió el papel de ARPA. Centaur voló inicialmente como la etapa superior del vehículo de lanzamiento Atlas-Centaur, y se encontró con una serie de problemas de desarrollo temprano debido a la naturaleza pionera del esfuerzo y al uso de hidrógeno líquido. En 1994, General Dynamics vendió su división Space Systems a Lockheed-Martin.

Centauro A-D (Atlas)

An Atlas-Centaur rocket launches Surveyor 1

El Centaur se desarrolló originalmente para su uso con la familia de vehículos de lanzamiento Atlas. Conocido en la planificación inicial como la "etapa superior de alta energía", la elección del centauro mitológico como homónimo pretendía representar la combinación de la fuerza bruta del propulsor Atlas y la delicadeza de la etapa superior.

La versión inicial de Atlas-Centaur lanza versiones de desarrollo usadas, etiquetadas como Centaur-A a -C. El único lanzamiento de Centaur-A el 8 de mayo de 1962 terminó en una explosión 54 segundos después del despegue cuando los paneles de aislamiento del Centaur se separaron antes de tiempo, lo que provocó que el tanque LH₂ se sobrecalentara y se rompiera. Después de extensos rediseños, el único vuelo Centaur-B el 26 de noviembre de 1963 tuvo éxito. Centaur-C voló tres veces con dos fallas y un lanzamiento se declaró exitoso, aunque el Centaur no pudo reiniciarse. Centaur-D fue la primera versión en entrar en servicio operativo, con cincuenta y seis lanzamientos.

El 30 de mayo de 1966, un Atlas-Centaur impulsó el primer módulo de aterrizaje Surveyor hacia la Luna. A esto le siguieron otros seis lanzamientos de Surveyor en los dos años siguientes, con el desempeño esperado del Atlas-Centaur. El programa Surveyor demostró la viabilidad de volver a encender un motor de hidrógeno en el espacio y proporcionó información sobre el comportamiento de LH₂ en el espacio.

En la década de 1970, Centaur estaba completamente maduro y se había convertido en la etapa de cohete estándar para lanzar cargas útiles civiles más grandes a la órbita terrestre alta, y también reemplazó al vehículo Atlas-Agena para las sondas planetarias de la NASA.

A finales de 1989, Centaur-D y -G se habían utilizado como etapa superior para 63 lanzamientos de cohetes Atlas, 55 de los cuales fueron exitosos.

Saturno I S-V

Un Saturno Lanzo con un escenario S-V

El Saturn I fue diseñado para volar con una tercera etapa S-V para permitir que las cargas útiles vayan más allá de la órbita terrestre baja (LEO). La etapa S-V estaba destinada a ser impulsada por dos motores RL-10A-1 que quemaban hidrógeno líquido como combustible y oxígeno líquido como oxidante. La etapa S-V voló cuatro veces en las misiones SA-1 a SA-4, las cuatro misiones tenían los tanques del S-V llenos de agua para usar como lastre durante el lanzamiento. El escenario no se voló en una configuración activa.

Centauro D-1T (Titán III)

Un lanzamiento de cohetes Titan IIIE-Centaur Voyager 2

El Centaur D se mejoró para su uso en el propulsor Titan III mucho más poderoso en la década de 1970, con el primer lanzamiento del Titan IIIE resultante en 1974. El Titan IIIE triplicó con creces la capacidad de carga útil de Atlas-Centaur e incorporó aislamiento térmico mejorado, lo que permite una vida útil orbital de hasta cinco horas, un aumento con respecto a los 30 minutos del Atlas-Centaur.

El primer lanzamiento de Titan IIIE en febrero de 1974 no tuvo éxito, con la pérdida del Experimento de alto voltaje de plasma espacial (SPHINX) y una maqueta de la sonda Viking. Finalmente se determinó que los motores de Centaur habían ingerido un clip instalado incorrectamente del tanque de oxígeno.

Los próximos Titan-Centaurs lanzaron Helios 1, Viking 1, Viking 2, Helios 2, Voyager 1 y Voyager 2. El propulsor Titan utilizado para lanzar Voyager 1 tenía un problema de hardware que provocó un apagado prematuro, que la etapa Centaur detectó y compensó con éxito. Centaur terminó su quema con menos de 4 segundos de combustible restante.

Centauro (Atlas G)

Centaur se introdujo en el Atlas G y se trasladó al muy similar Atlas I.

Lanzadera-Centaur (Centaur G y G-Prime)

Ilustración de Shuttle-Centaur con Ulises

Shuttle-Centaur fue una etapa superior propuesta para el transbordador espacial. Para permitir su instalación en las bahías de carga útil del transbordador, el diámetro del tanque de hidrógeno del Centaur se aumentó a 4,3 m (14 ft), mientras que el diámetro del tanque LOX se mantuvo en 3,0 m (10 ft). Se propusieron dos variantes: Centaur G Prime, que se planeó para lanzar las sondas robóticas Galileo y Ulysses, y Centaur G, una versión acortada, reducida en longitud de aproximadamente 9 a 6 m (30 a 20 pies), previsto para las cargas útiles del Departamento de Defensa de EE. UU. y la sonda Magellan Venus.

Después del accidente del transbordador espacial Challenger, y solo unos meses antes de que se programara el vuelo del transbordador Centaur, la NASA concluyó que era demasiado arriesgado volar el Centaur en el transbordador. Las sondas se lanzaron con el IUS de combustible sólido, mucho menos potente, y Galileo necesitó múltiples ayudas gravitatorias de Venus y la Tierra para llegar a Júpiter.

Centauro (Titán IV)

La brecha de capacidad que dejó la finalización del programa Shuttle-Centaur se llenó con un nuevo vehículo de lanzamiento, el Titan IV. Las versiones 401A/B usaban una etapa superior Centaur con un tanque de hidrógeno de 4,3 metros (14 pies) de diámetro. En la versión Titan 401A, se lanzó un Centaur-T nueve veces entre 1994 y 1998. La sonda Cassini-Huygens Saturn de 1997 fue el primer vuelo del Titan 401B, con seis lanzamientos adicionales que finalizaron en 2003, incluido un SRB fallido.

Centauro II (Atlas II/III)

Centaur II se desarrolló inicialmente para su uso en la serie de cohetes Atlas II. Centaur II también voló en los lanzamientos iniciales de Atlas IIIA.

Centauro III/Centauro común (Atlas III/V)

Atlas IIIB presentó el Common Centaur, un Centaur II más largo e inicialmente con dos motores.

Experimentos de gestión de fluidos criogénicos Atlas V

La mayoría de los Centauros comunes lanzados en Atlas V tienen de cientos a miles de kilogramos de propulsores restantes en la separación de la carga útil. En 2006, estos propulsores se identificaron como un posible recurso experimental para probar técnicas de gestión de fluidos criogénicos en el espacio.

En octubre de 2009, la Fuerza Aérea y United Launch Alliance (ULA) realizaron una demostración experimental en la etapa superior Centaur modificada del lanzamiento del DMSP-18 para mejorar la "comprensión del asentamiento y chapoteo del propulsor, el control de la presión y el enfriamiento del RL10". y operaciones de apagado de dos fases RL10. DMSP-18 era una carga útil de masa baja, con aproximadamente un 28 % (5400 kg (11 900 lb)) de propulsor LH₂/LOX después de la separación. Se realizaron varias demostraciones en órbita durante 2,4 horas, que concluyeron con una quema de salida de órbita. La demostración inicial estaba destinada a prepararse para experimentos de gestión de fluidos criogénicos más avanzados planificados en el marco del programa de desarrollo de tecnología CRYOTE basado en Centaur en 2012-2014, y aumentará el TRL del sucesor de Centaur en etapa evolucionada criogénica avanzada.

Percances

Aunque Centaur tiene un largo y exitoso historial de vuelos, ha experimentado una serie de percances:

• 7 de abril de 1966: Centaur no reiniciaba después de la costa — los motores de ullage se quedaron sin combustible.
• 9 de mayo de 1971; la guía centaur falló, destruyendose y la nave espacial Mariner 8 atada para la órbita de Marte.
• 18 de abril de 1991: Centaur falló debido a partículas de las almohadillas para limpiar los conductos propulsantes atrapados en el turbopump, evitando la puesta en marcha.
• 22 de agosto de 1992: Centaur no reanudó (problema de aprendizaje).
• 30 de abril de 1999: Lanzamiento del satélite de comunicaciones USA-143 (Milstar DFS-3m) falló cuando un error de la base de datos Centaur resultó en una velocidad de rodamiento incontrolada y pérdida de control de actitudes, colocando el satélite en una órbita inútil.
• 15 de junio de 2007: el motor en la etapa superior Centaur de un Atlas V se cerró temprano, dejando su carga útil, un par de satélites de vigilancia oceánica de la Oficina Nacional de Reconocimiento, en una órbita inferior a la prevista. El fracaso fue llamado "una gran decepción", aunque declaraciones posteriores afirman que la nave espacial seguirá siendo capaz de completar su misión. La causa se rastreó a una válvula atorada que agotó parte del combustible de hidrógeno, lo que dio lugar a la segunda quemadura que terminó cuatro segundos antes. El problema fue fijo, y el siguiente vuelo fue nominal.
• 30 de agosto de 2018: Atlas V Centaur aprobó la segunda etapa lanzada el 17 de septiembre de 2014, rompió, creando escombros espaciales.
• Marzo 23–25, 2018: Atlas V Centaur aprobó la segunda etapa lanzada el 8 de septiembre de 2009, se rompió.
• Abril 6, 2019: Atlas V Centaur aprobó la segunda etapa lanzada el 17 de octubre de 2018, se rompió.

Especificaciones del Centauro III

Fuente: especificaciones de Atlas V551, a partir de 2015.