ケンタウロス（ロケット段階）

ケンタウロス
	アトラスVロケットと結合するために持ち上げられている単発エンジンのセントーIII
メーカー	ユナイテッド・ローンチ・アライアンス
使用場所	現在アトラス V : ケンタウロス III バルカン：ケンタウロスV 歴史的アトラス・ケンタウロスサターンI タイタンIII タイタンIV アトラス II アトラスIII シャトル・ケンタウルス（未飛行）
関連ステージ
デリバティブ	高度極低温進化段階
発売履歴
状態	アクティブ
総打ち上げ数	2024年10月現在273人
成功; （ステージのみ）	254
失敗した	15
下段が; 故障	4
初飛行	1962年5月9日; 62年前
ケンタウロスIII
身長	12.68メートル（499インチ）
直径	3.05 m (120 インチ)
空の塊	2,247 kg (4,954 lb)、単発エンジン; 2,462 kg (5,428 lb)、複発エンジン
推進剤質量	20,830 kg (45,920 ポンド)
搭載	1 × RL10A、2 × RL10A、または1 × RL10C
最大推力	99.2 kN (22,300 lbf)、エンジンあたり
比推力	450.5秒（4.418 km/s）
燃焼時間	904秒
推進剤	LOX / LH 2
ケンタウロスV
身長	12.6メートル（41フィート）
直径	5.4メートル（18フィート）
搭載	2 × RL10C
最大推力	212 kN (48,000 lb f )
比推力	453.8秒（4.450km/秒）
燃焼時間	1,077秒
推進剤	LOX / LH 2

セントールは、1962年から使用されているロケット推進上段ロケットのシリーズです。現在は米国の打ち上げサービスプロバイダーであるユナイテッド・ローンチ・アライアンスによって製造されており、1つの主要な現役バージョンと1つの開発中のバージョンがあります。直径3.05メートル（10.0フィート）のコモンセントール/セントールIIIはアトラスVロケットの上段として飛行し、直径5.4メートル（18フィート）のセントールVはULAの新しいバルカンロケットの上段として開発されています。 ^[7]^{[8]セントールは}液体水素（LH2 _）と液体酸素（LOX）の推進剤を使用した最初のロケット段であり、高エネルギーの組み合わせは上段には理想的ですが、取り扱いがかなり困難です。^[9]

特徴

コモンケンタウルスは、厚さ0.51mm（0.020インチ）の壁を持つステンレス鋼製の圧力安定化バルーン推進剤タンク^{[10]を中心に構築されています。最大19,000kg（42,000ポンド）のペイロードを持ち上げることができます。}^[11]薄い壁によりタンクの質量が最小限に抑えられ、ステージ全体のパフォーマンスが最大化されます。^[12]

共通の隔壁が液体酸素タンクと_液体水素タンクを分離し、タンクの質量をさらに減らしている。この隔壁はグラスファイバー製のハニカムで区切られた2枚のステンレス鋼板でできている。グラスファイバー製のハニカムは、極低温の液体水素とそれほど低温ではない液体酸素の間の熱伝達を最小限に抑える。_[^13]^{: 19}

主推進システムは、エアロジェットロケットダイン RL10エンジン 1 基または 2 基で構成されています。^[10]このステージは、推進剤、軌道寿命、ミッション要件によって制限されますが、最大 12 回の再起動が可能です。推進剤タンクの断熱と組み合わせることで、セントールは複雑な軌道投入に必要な数時間にわたる惰力走行と複数回のエンジン燃焼を実行できます。^[11]

反応制御システム（RCS）もアレージを提供し、ステージの周囲に2つの2スラスタポッドと4つの4スラスタポッドに配置された20個のヒドラジン一元推進剤スラスタで構成されています。推進剤としては、150kg（340ポンド）のヒドラジンが一対のブラダータンクに貯蔵され、加圧ヘリウムガスとともにRCSスラスタに供給されます。このガスは、いくつかの主エンジン機能にも使用されます。^[14]

現在のバージョン

2024年現在、2つのセントーロス型が使用されている。アトラスVに搭載されたセントーロスIII ^[15]^[16]とバルカンセントーに搭載されたセントーロスV ^[17]である。他の多くのセントーロス型はすべて退役している。^[18]^[19]

現在のエンジン

セントールエンジンは時間とともに進化しており、2024年現在、3つのバージョン（RL10A-4-2、RL10C-1、RL10C-1-1）が使用されています（下表参照）。すべてのバージョンで液体水素と液体酸素が使用されています。^[20]

ケンタウロス III/コモンケンタウロス

コモン・ケンタウルスはアトラスVロケットの上段である。^[14] 以前のコモン・ケンタウルスはRL-10のRL10-A-4-2バージョンによって推進されていた。2014年以降、コモン・ケンタウルスはコスト削減のためデルタ・クライオジェニック第2段と共有されるRL10-C-1エンジンで飛行している。^[27]^[28]デュアル・エンジン・ケンタウルス（DEC）構成では、利用可能なスペースに2つのエンジンを収容するために、より小型のRL10-A-4-2を引き続き使用する。^[28]

アトラスVは複数の構成で飛行できるが、そのうち1つだけがセントールとブースターおよびフェアリングの統合方法に影響を与える。直径5.4m（18フィート）のアトラスVペイロードフェアリングはブースターに取り付けられ、上段ステージとペイロードを包み込み、フェアリングによる空力負荷をブースターに導く。直径4m（13フィート）のペイロードフェアリングを使用する場合、取り付け点はセントールの上部（前端）にあり、負荷はセントールのタンク構造を通って導かれる。^[29]

最新のコモンケンタウルスは、ステージのエンジン端に取り付けられた後部隔壁キャリアを使用して二次ペイロードを搭載することができます。^[30]

シングルエンジンケンタウルス (SEC)

ほとんどのペイロードは、1 基のRL10を搭載したシングルエンジンセントール (SEC) で打ち上げられます。これは、アトラス V のすべての通常飛行のバリエーションです (命名システムの最後の桁で示されます。たとえば、アトラス V 421)。

デュアルエンジンケンタウロス (DEC)

RL-10エンジン2基を搭載したデュアルエンジンバージョンも利用可能だが、これはCST-100スターライナー有人宇宙船の打ち上げ専用である。2基のエンジンのより高い推力により、水平速度は高く、垂直速度は低く、より緩やかな上昇が可能となり、飛行中のどの時点でも打ち上げ中止や弾道再突入が起こった場合でも減速を生存可能なレベルまで低減できる。^[31]

ケンタウロスV

セントールVは、国家安全保障宇宙打ち上げ（NSSL）プログラムのニーズを満たすためにユナイテッド・ローンチ・アライアンスによって開発された新しいヴァルカンロケットの上段です。 ^[32]ヴァルカンは当初、コモン・セントールのアップグレード版で就航する予定でしたが、^{[33]最初の数年間の飛行後には}、高度極低温進化型（ACES）へのアップグレードが計画されていました。^[19]^[34]

2017年後半、ULAはACES上段ロケットの要素を前倒し、Centaur Vの作業を開始することを決定しました。Centaur VはACESの5.4メートル（18フィート）の直径と高度な断熱材を備えていますが、上段ロケットの軌道上寿命を数時間から数週間に延長できると期待されているIntegrated Vehicle Fluids （IVF）機能は含まれていません。 ^[19] Centaur Vは、最も重いペイロードの燃料消費を改善するために、ノズル延長部を備えた2つの異なるバージョンのRL10-Cエンジンを使用しています。^[35] Common Centaurよりも能力が向上したこの理由は、ULAがNSSLの要件を満たし、当初の計画よりも早くアトラスVとデルタIVヘビーロケットファミリーの両方を退役させることができるようにするためでした。新しいロケットは2018年3月に正式にヴァルカン・セントールとなった。 ^[36]^{[37] 2018年5月、}ブルーオリジンの BE-3との競争入札の結果、エアロジェット・ロケットダインRL10がセントールVのエンジンとして発表された。各段に2基のエンジンが搭載される。^[38] 2020年9月、ULAはACESの開発を中止し、代わりにセントールVを使用すると発表。^[39] ULAのCEO、トリー・ブルーノ氏は、ヴァルカンのセントール5はULAが現在飛行している上段ロケットよりも40%長い耐久性と2.5倍のエネルギーを持つと述べた。「しかし、それは氷山の一角に過ぎません」とブルーノ氏は説明した。「今後数年間で耐久性を450、500、600倍まで押し上げていくつもりです。そうすれば、今日では想像もできないようなまったく新しい一連のミッションが可能になります。」^[40]

ヴァルカンは2024年1月8日についに打ち上げられ、初飛行では完璧なパフォーマンスを発揮した。^[41]

2024年10月4日、ヴァルカンCert-2ミッションの放送中に録音されたメッセージの中で、アップグレード開発ディレクターのアマンダ・バッチェッティは、ULAが2025年にヴァルカンロケットで打ち上げられる予定の「LEO最適化ケンタウルス」を開発していると述べた。彼女は、このケンタウルスVの派生型はより短くなる（したがってLEO軌道での質量効率が高くなる）と述べたが、この派生型の仕様は明らかにされなかった。^[42]

歴史

セントールのコンセプトは、ジェネラル・ダイナミクスのコンベア部門が液体水素を燃料とする上段ロケットの研究を始めた1956年に始まった。その後のプロジェクトは、コンベア、高等研究計画局(ARPA)、米国空軍の合弁事業として1958年に始まった。1959年にNASAがARPAの役割を引き継いだ。セントールは当初、アトラス・セントール打ち上げロケットの上段ロケットとして飛行したが、その取り組みの先駆的な性質と液体水素の使用により、初期の開発でいくつかの問題に直面した。^[44] 1994年にジェネラル・ダイナミクスは宇宙システム部門をロッキード・マーティンに売却した。^[45]

ケンタウロス AD (アトラス)

セントールはもともとアトラスロケットファミリーで使用するために開発された。初期の計画では「高エネルギー上段ロケット」として知られていたが、神話上のセントールを名前の由来に選んだのは、アトラスブースターの力強さと上段ロケットの繊細さの組み合わせを表現するためだった。^[46]

最初のAtlas-Centaurの打ち上げでは、Centaur-A から -C までとラベル付けされた開発バージョンが使用されました。

1962年5月8日に行われた唯一のセントーA打ち上げは、打ち上げから54秒後に爆発で終わった。セントーの断熱パネルが早期に分離し、LH2タンクが過熱して破裂したためである_{。このバージョンは2基の}RL10A-1エンジンで駆動されていた。^[47]

大規模な再設計の後、1963年11月26日に唯一のセントールB飛行が成功した。このバージョンは2基のRL10A-3エンジンを搭載していた。^[47]

セントールCは1964年から1965年にかけて3回飛行し^[47] 、 2回は失敗し、1回は成功と発表されたがセントールは再起動に失敗した。このバージョンも2基のRL10A-3エンジンを搭載していた^{[47] 。}

セントールDは1965年に運用を開始した最初のバージョンであり、^[47] 56回の打ち上げが行われた。 ^{[48]エンジンはRL10A-3-1またはRL10A-3-3であった。}^[47]

1966年5月30日、アトラス・セントールが最初のサーベイヤー着陸機を月に向けて打ち上げた。その後2年間でさらに6回のサーベイヤー打ち上げが行われ、アトラス・セントールは期待通りの成果を上げた。サーベイヤー計画は宇宙で水素エンジンを再点火する可能性を実証し、宇宙でのLH2の挙動に関する情報を提供した_。 [ ^13]^{: 96}

1970年代までに、セントールは完全に成熟し、より大きな民間ペイロードを高地球軌道に打ち上げるための標準的なロケット段階となり、NASAの惑星探査機のアトラス・アジェナに取って代わった。 ^[13]^{: 103–166}

改良版のCentaur-D1A（RL10A-3-3エンジン搭載）は、1970年代にアトラスSLV3Dに搭載された。 ^[49]^[50]^[47]

Centaur -D1ARはAtlas-SLV3Dに使用され、Atlas Gは1970年代から1980年代にかけて使用されるようになりました。^[51]^[47]^[52]

1989年末までに、セントールDはアトラスロケット63回の打ち上げの上段として使用され、そのうち55回は成功した。^[1]

サターンI SV

サターンI は、ペイロードを低地球軌道(LEO)を超えて飛ばすために、SV の第 3 段を搭載して飛行するように設計されました。SV 段は、燃料として液体水素、酸化剤として液体酸素を燃焼する 2 基のRL-10A-1エンジンで駆動される予定でした。SV 段は、 SA-1から SA-4までのミッションで 4 回飛行しましたが、これら 4 つのミッションすべてで、SV のタンクは、打ち上げ時にバラストとして使用するために水で満たされていました。この段はアクティブ構成では飛行しませんでした。

ケンタウロス D-1T (タイタン III)

セントールD-1T（RL10A-3-3エンジン搭載）は、1970年代にはるかに強力なタイタンIIIブースターで使用するために改良されたバージョンであり、 ^{[47] 1974年に}タイタンIIIEが初めて打ち上げられました。タイタンIIIEはアトラス・セントールのペイロード容量を3倍以上にし、断熱性も向上したため、軌道寿命は最大5時間となり、アトラス・セントールの30分よりも長くなりました。^[13]^{: 143}

1974年2月に行われたタイタンIIIEの最初の打ち上げは失敗に終わり、宇宙プラズマ高電圧実験装置（SPHINX）とバイキング探査機の模型が失われた。最終的に、セントールのエンジンが酸素タンクから誤って取り付けられたクリップを飲み込んだことが判明した。^[13]^{: 145–146}

次のタイタン・ケンタウルス号は、ヘリオス1号、バイキング1号、バイキング2号、ヘリオス2号、^[53] ボイジャー1号、ボイジャー2号を打ち上げた。ボイジャー1号の打ち上げに使用されたタイタンブースターはハードウェアの問題で予定より早くシャットダウンしたが、ケンタウルス段がそれを検出し、うまく補正した。ケンタウルスは燃料が4秒未満で燃焼を終了した。^[13]^{: 160}

Centaur D-1Tの仕様

セントールD-1Tの一般的な仕様は次の通りである。^[54]

直径: 3.2 m (126 インチ)
長さ: 9.6 m (31.5 フィート)
慣性質量: 1,827 kg (4,028 lb)
燃料：液体水素
酸化剤：液体酸素
燃料および酸化剤の質量: 13,490 kg (29,750 lb)
ガイダンス:
推力:
燃焼能力: 3～4回
エンジン: RL10A-3-3 x 2
エンジン始動：再始動可能
姿勢制御: 4 x 27 N (6 lbf) スラスタ

シャトル・ケンタウルス（ケンタウルスGとGプライム）

シャトル・セントールは、スペースシャトルの上段ロケットとして提案されたものである。シャトルのペイロードベイへの搭載を可能にするため、セントールの水素タンクの直径は4.3メートル（14フィート）に拡大されたが、液体酸素タンクの直径は3.0メートル（10フィート）のままであった。2つの派生型が提案された。ガリレオとユリシーズのロボット探査機を打ち上げるために計画されたセントールGプライムと、米国国防総省のペイロードとマゼラン金星探査機用に計画された、長さが約9メートルから6メートル（30フィートから20フィート）に短縮されたセントールGである。 ^[55]

スペースシャトルチャレンジャー号の事故後、シャトル・ケンタウルス号の飛行予定のわずか数か月前に、NASAはシャトルにケンタウルス号を載せて飛ばすのはリスクが大きすぎるという結論を下した。^[56]探査機ははるかに出力の低い固体燃料のIUSで打ち上げられ、ガリレオは木星に到達するために金星と地球からの複数の重力補助を必要とした。

ケンタウロスT（タイタンIV）

シャトル・セントール計画の終了によって生じた能力のギャップは、新しい打ち上げロケットであるタイタンIVによって埋められた。401A/Bバージョンは、直径4.3メートル（14フィート）の水素タンクを備えたセントール上段ロケットを使用した。タイタン401Aバージョンでは、1994年から1998年の間にセントールTが9回打ち上げられた。1997年の土星探査機カッシーニ・ホイヘンスはタイタン401Bの最初の飛行であり、2003年にはさらに6回の打ち上げが行われ、そのうち1回はSRBの失敗であった。^[57]

ケンタウロス I (アトラス I)

アトラス Iの上段は、同じくアトラスブースターの上に搭載された初期のモデルのセントーアから派生したセントーア I段でした。セントーア I には、液体水素と液体酸素を燃焼する RL-10-A-3A エンジンが 2 基搭載されており、非常に効率的な段でした。タンク内の液体水素の蒸発を遅らせるために、セントーアにはグラスファイバー製の断熱パネルが搭載されていましたが、これは第 1 段のブースターエンジンが切り離されてから 25 秒後に切り離されました。^[58]セントーア I は、分離断熱パネルを搭載した最後のバージョンでした。

ケンタウロス II (アトラス II/III)

セントールIIは当初、アトラスIIシリーズのロケットで使用するために開発されました。^[48]セントールIIは、初期のアトラスIIIAの打ち上げにも使用されました。^[14]

ケンタウロス III/コモンケンタウロス (アトラス III/V)

アトラスIIIBは、当初は2基のエンジンを搭載した、より長いセントーサII型機であるコモンセントーサを導入した。^[14]

Centaur III 仕様

出典：アトラスV551の仕様、2015年時点^[59]

直径: 3.05 m (10 フィート)
長さ: 12.68 m (42 フィート)
慣性質量: 2,247 kg (4,954 ポンド)
燃料：液体水素
酸化剤：液体酸素
燃料および酸化剤の質量: 20,830 kg (45,922 lb)
ガイダンス：慣性
推力: 99.2 kN (22,300 lbf)
燃焼時間: 可変。例: アトラス V では 842 秒
エンジン：RL10-C-1
エンジン長さ: 2.32 m (7.6 フィート)
エンジン直径: 1.53 m (5 フィート)
エンジン乾燥重量: 168 kg (370 lb)
エンジン始動：再始動可能
姿勢制御: 4 x 27 N (6.1 lbf) スラスタ、8 x 40 N (9.0 lbf) スラスタ
- 推進剤：ヒドラジン

アトラスV極低温流体管理実験

アトラスVで打ち上げられたコモンケンタウルスのほとんどは、ペイロード分離時に数百から数千キログラムの推進剤が残っています。2006年に、これらの推進剤は宇宙での極低温流体管理技術をテストするための実験資源として利用可能であると特定されました。^[60]

2009年10月、空軍とユナイテッド・ローンチ・アライアンス（ULA）は、 DMSP-18 打ち上げの改良型セントール上段の実験的デモンストレーションを実施し、「推進剤の沈降とスロッシング、圧力制御、RL10チルダウン、RL10二相シャットダウン操作の理解を深めた。DMSP-18は低質量ペイロードで、分離後に約28％（5,400 kg（11,900ポンド））のLH ₂ /LOX推進剤が残った。軌道上でのデモンストレーションは2.4時間にわたって数回実施され、軌道離脱燃焼で終了した。^{[61]最初のデモンストレーションは、2012年から2014年にかけてセントールベースの}CRYOTE技術開発プログラムで計画されている、より高度な極低温流体管理実験に備えることを目的としており、^{[62]これにより、}高度極低温進化型セントール後継機のTRLが増加する。^[18]

災難

Centaur は長く成功した飛行の歴史を持っていますが、いくつかの事故も経験しています。

1966年4月7日: セントール号は惰性航行後再始動できず、アレージモーターの燃料が尽きた。^[63]
1968年8月10日: AC-17。セントールは過酸化水素供給ラインの凍結により再始動しなかった。^[64]
1971年5月9日: セントーの誘導が失敗し、火星軌道に向かっていたマリナー8号宇宙船とセントー自身は破壊された。 ^[65]
1991年4月18日: AC-70。セントーが再始動に失敗（着氷問題）。当初、不完全な故障調査では、セントーの故障は、推進剤ダクトの清掃に使用された研磨パッドの粒子がターボポンプに詰まり、始動を妨げたためであると発表された。^[66]
1992年8月22日: AC-71。セントールは再始動に失敗した（前回の事故と同じ着氷問題）。^[66]^[67]
1999年4月30日: USA-143 (ミルスターDFS-3m)通信衛星の打ち上げは、セントールデータベースエラーによりロール速度が制御不能となり姿勢制御が失われ、衛星が役に立たない軌道に置かれて失敗しました。^[68]
2007年6月15日:アトラスVのセントール上段のエンジンが予定より早く停止し、搭載されていた国家偵察局の海洋監視衛星2機が予定より低い軌道に残された。^[69]この失敗は「大きな失望」と呼ばれたが、その後の声明では宇宙船はミッションを完了できると主張している。^[70]原因は、開いたまま動かなくなったバルブによって水素燃料が枯渇し、2回目の燃焼が4秒早く終了したことであることが判明した。^[70] この問題は修正され、^[71]次の飛行は正常だった。^[72]
2018年3月23日～25日：2009年9月8日に打ち上げられたアトラスVケンタウルスの第2段が不活性化され、分解した。^[73]^[74]
2018年8月30日：2014年9月17日に打ち上げられたアトラスVケンタウルスの第2段が分解し、宇宙ゴミが発生した。^[75]
2019年4月6日：2018年10月17日に打ち上げられたアトラスVケンタウルスの第2段が不活性化され、分解した。^[76]^[77]
2024年9月6日：2018年3月1日に打ち上げられたアトラスVケンタウルスの第2段が不活性化され、分解。^[78]

参考文献

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