Centaur (tahapan roket)

Centaur adalah keluarga roket tahap atas yang telah digunakan sejak 1962. Saat ini diproduksi oleh penyedia layanan peluncuran AS United Launch Alliance, dengan satu versi utama aktif dan satu versi dalam pengembangan. Common Centaur/Centaur III berdiameter 3,05 m (10,0 kaki) terbang sebagai tingkat atas kendaraan peluncur Atlas V, dan Centaur V berdiameter 5,4 m (18 kaki) telah dikembangkan sebagai tingkat atas roket Vulcan baru ULA. Centaur adalah tingkat roket pertama yang menggunakan propelan hidrogen cair (LH 2) dan oksigen cair (LOX), kombinasi propelan berenergi tinggi yang ideal untuk tingkat atas tetapi memiliki kesulitan penanganan yang signifikan. Centaur adalah tahap atas energi tinggi pertama di dunia, pembakaran hidrogen cair (LH2) dan oksigen cair (LOX), dan telah memungkinkan peluncuran beberapa misi ilmiah paling penting NASA.

Common Centaur dibangun di sekitar tangki propelan balon bertekanan baja tahan karat yang distabilkan dengan dinding setebal 0,51 mm (0,020 in). Ia dapat mengangkat muatan hingga 19.000 kg (42.000 lb). Dinding tipis meminimalkan massa tangki, memaksimalkan kinerja keseluruhan panggung tahapan.^{[1][2][3][4][5][6][7][8][9][10][11][12][12]}

Sekat umum memisahkan tangki LOX dan LH 2, yang selanjutnya mengurangi massa tangki. Sekat ini terbuat dari dua kulit baja tahan karat yang dipisahkan oleh sarang lebah fiberglass. Sarang lebah fiberglass meminimalkan perpindahan panas antara LH 2 yang sangat dingin dan LOX yang kurang dingin.

Sistem propulsi utamanya terdiri dari satu atau dua mesin Aerojet Rocketdyne RL10. Tahap ini mampu melakukan hingga dua belas kali restart, dibatasi oleh propelan, masa pakai orbital, dan persyaratan misi. Dikombinasikan dengan isolasi tangki propelan, hal ini memungkinkan Centaur untuk melakukan peluncuran selama beberapa jam dan beberapa pembakaran mesin yang diperlukan pada penyisipan orbital yang kompleks.

Sistem kendali reaksi (RCS) juga menyediakan ullage dan terdiri dari dua puluh pendorong monopropelan hidrazin yang terletak di sekitar panggung dalam dua pod pendorong 2 dan empat pod pendorong 4. Untuk propelan, 150 kg (340 lb) Hidrazin disimpan dalam sepasang tangki kandung kemih dan diumpankan ke pendorong RCS dengan gas helium bertekanan, yang juga digunakan untuk menyelesaikan beberapa fungsi mesin utama.

Pada tahun 2024, dua varian Centaur digunakan: Centaur III pada Atlas V, dan Centaur V pada Vulcan Centaur. Semua varian Centaur lainnya telah dihentikan.

Mesin Centaur telah berevolusi dari waktu ke waktu, dan tiga versi (RL10A-4-2, RL10C-1 dan RL10C-1-1) digunakan pada tahun 2024 (lihat tabel di bawah). Semua versi menggunakan hidrogen cair dan oksigen cair.

Mesin Centaur digunakan pada tahun 2024

Mesin	Tahap Atas	Massa kering	Dorongan	Isp, vakum	Panjang	Diameter
RL10A-4-2[13][14]	Centaur III	168 kg (370 pon)	991 kN (223.000 lbf)	451 s		117 m (384 ft)
RL10C-1[15][16][17][14]	Centaur III (SEC)	190 kg (420 pon)	1.018 kN (229.000 lbf)	449.7 s	212 m (696 ft)	145 m (476 ft)
RL10C-1-1[18]	Centaur V	188 kg (414 pon)	106 kN (24.000 lbf)	453.8 s	246 m (807 ft)	157 m (515 ft)

[[Berkas:Centaur upper stage being lifted.jpg|jmpl|Single Engine Centaur (SEC) stage

Common Centaur adalah tahap atas roket Atlas V. Common Centaur sebelumnya didorong oleh versi RL10-A-4-2 dari RL-10. Sejak 2014, Common Centaur telah terbang dengan mesin RL10-C-1, yang dibagikan dengan Delta Cryogenic Second Stage, untuk mengurangi biaya. Konfigurasi Dual Engine Centaur (DEC) akan terus menggunakan RL10-A-4-2 yang lebih kecil untuk menampung dua mesin di ruang yang tersedia.

Atlas V dapat terbang dalam beberapa konfigurasi, tetapi hanya satu yang memengaruhi cara Centaur terintegrasi dengan booster dan fairing: fairing muatan Atlas V berdiameter 5,4 m (18 kaki) terpasang pada booster dan membungkus bagian atas dan muatan, menyalurkan beban aerodinamis yang dihasilkan fairing ke dalam booster. Jika fairing muatan berdiameter 4 m (13 kaki) digunakan, titik pemasangan berada di bagian atas (ujung depan) Centaur, menyalurkan beban melalui struktur tangki Centaur.

Common Centaur terbaru dapat menampung muatan sekunder menggunakan Aft Bulkhead Carrier yang terpasang pada ujung mesin panggung.

Sebagian besar muatan diluncurkan dengan Single Engine Centaur (SEC) dengan satu RL10. Ini adalah varian untuk semua penerbangan normal Atlas V (ditunjukkan dengan digit terakhir sistem penamaan, misalnya Atlas V 421).

Varian mesin ganda dengan dua mesin RL-10 tersedia, tetapi hanya untuk meluncurkan pesawat antariksa berawak CST-100 Starliner. Dorongan yang lebih tinggi dari dua mesin memungkinkan pendakian yang lebih lembut dengan kecepatan horizontal yang lebih besar dan kecepatan vertikal yang lebih rendah, yang mengurangi perlambatan ke tingkat yang dapat bertahan hidup jika terjadi pembatalan peluncuran dan masuk kembali ke atmosfer pada titik mana pun dalam penerbangan.

Centaur V adalah tahap atas dari kendaraan peluncur Vulcan baru yang dikembangkan oleh United Launch Alliance untuk memenuhi kebutuhan program National Security Space Launch (NSSL). Vulcan awalnya dimaksudkan untuk memasuki layanan dengan varian upgrade dari Common Centaur, dengan upgrade ke Advanced Cryogenic Evolved Stage (ACES) yang direncanakan setelah beberapa tahun pertama penerbangan.

Pada akhir tahun 2017, ULA memutuskan untuk membawa elemen tahap atas ACES ke depan dan mulai bekerja pada Centaur V. Centaur V akan memiliki diameter ACES 5,4 m (18 kaki) dan insulasi canggih, tetapi tidak menyertakan fitur Integrated Vehicle Fluids (IVF) yang diharapkan memungkinkan perpanjangan masa pakai tahap atas di orbit dari jam menjadi minggu. Centaur V menggunakan dua versi berbeda dari mesin RL10-C dengan ekstensi nosel untuk meningkatkan konsumsi bahan bakar untuk muatan terberat. Peningkatan kemampuan ini dibandingkan Common Centaur dimaksudkan untuk memungkinkan ULA memenuhi persyaratan NSSL dan menghentikan keluarga roket Atlas V dan Delta IV Heavy lebih awal dari yang direncanakan semula. Roket baru itu secara publik menjadi Vulcan Centaur pada Maret 2018. Pada Mei 2018, Aerojet Rocketdyne RL10 diumumkan sebagai mesin Centaur V setelah proses pengadaan yang kompetitif melawan Blue Origin BE-3. Setiap tahap akan memasang dua mesin. Pada bulan September 2020, ULA mengumumkan bahwa ACES tidak lagi dikembangkan, dan bahwa Centaur V akan digunakan sebagai gantinya. Tory Bruno, CEO ULA, menyatakan bahwa Centaur 5 Vulcan akan memiliki daya tahan 40% lebih banyak dan energi dua setengah kali lebih banyak daripada tahap atas yang diterbangkan ULA saat ini. “Tapi itu hanya puncak gunung es,” Bruno menjelaskan. “Saya akan meningkatkan daya tahan hingga 450, 500, 600 kali lipat hanya dalam beberapa tahun ke depan. Itu akan memungkinkan serangkaian misi baru yang bahkan tidak dapat Anda bayangkan untuk dilakukan hari ini.”

Vulcan akhirnya diluncurkan pada 8 Januari 2024 dan panggung tersebut tampil sempurna pada penerbangan perdananya.

Konsep Centaur berawal pada tahun 1956 ketika divisi Convair dari General Dynamics mulai mempelajari tahap atas berbahan bakar hidrogen cair. Proyek berikutnya dimulai pada tahun 1958 sebagai usaha patungan antara Convair, Advanced Research Projects Agency (ARPA), dan Angkatan Udara AS. Pada tahun 1959, NASA mengambil alih peran ARPA. Centaur awalnya terbang sebagai tahap atas kendaraan peluncur Atlas-Centaur, menghadapi sejumlah masalah pengembangan awal karena sifat perintis dari upaya tersebut dan penggunaan hidrogen cair. Pada tahun 1994 General Dynamics menjual divisi Sistem Luar Angkasa mereka ke Lockheed-Martin.

Centaur awalnya dikembangkan untuk digunakan bersama keluarga kendaraan peluncur Atlas. Dikenal pada perencanaan awal sebagai 'tahap atas berenergi tinggi', pemilihan Centaur mitologis sebagai nama dimaksudkan untuk mewakili kombinasi kekuatan kasar pendorong Atlas dan kehalusan tahap atas.

Peluncuran awal Atlas-Centaur menggunakan versi pengembangan yang diberi label Centaur-A hingga -C.

Peluncuran Centaur-A satu-satunya pada 8 Mei 1962 berakhir dengan ledakan 54 detik setelah lepas landas ketika panel insulasi pada Centaur terpisah lebih awal, menyebabkan tangki LH 2 menjadi terlalu panas dan pecah. Versi ini ditenagai oleh dua mesin RL10A-1.

Setelah desain ulang yang ekstensif, satu-satunya penerbangan Centaur-B pada 26 November 1963 berhasil. Versi ini didukung oleh dua mesin RL10A-3.

Centaur-C terbang tiga kali antara tahun 1964 dan 1965, dengan dua kegagalan dan satu peluncuran dinyatakan berhasil meskipun Centaur gagal untuk memulai kembali. Versi ini juga didukung oleh dua mesin RL10A-3.

Centaur-D adalah versi pertama yang memasuki layanan operasional pada tahun 1965, dengan lima puluh enam peluncuran. Ia didukung oleh dua mesin RL10A-3-1 atau RL10A-3-3.

Pada tanggal 30 Mei 1966, sebuah Atlas-Centaur mendorong wahana pendarat Surveyor pertama menuju Bulan. Hal ini diikuti oleh enam peluncuran Surveyor lainnya selama dua tahun berikutnya, dengan Atlas-Centaur yang berkinerja seperti yang diharapkan. Program Surveyor menunjukkan kelayakan menyalakan kembali mesin hidrogen di luar angkasa dan memberikan informasi tentang perilaku LH 2 di luar angkasa.

Pada tahun 1970an, Centaur telah sepenuhnya matang dan menjadi tahap roket standar untuk meluncurkan muatan sipil yang lebih besar ke orbit Bumi yang tinggi, juga menggantikan kendaraan Atlas-Agena untuk wahana antariksa planet NASA.

Versi terbarunya, disebut Centaur-D1A (didukung oleh mesin RL10A-3-3), digunakan pada Atlas-SLV3D dan mulai digunakan pada tahun 1970an.

Centaur-D1AR digunakan untuk Atlas-SLV3D dan Atlas G mulai digunakan pada tahun 1970an dan 1980an.

Pada akhir tahun 1989, Centaur-D telah digunakan sebagai tahap atas untuk 63 peluncuran roket Atlas, 55 di antaranya berhasil.

Saturn I dirancang untuk terbang dengan tahap ketiga SV agar muatannya dapat melampaui orbit Bumi rendah (LEO). Tahap SV dimaksudkan untuk ditenagai oleh dua mesin RL-10A-1 yang membakar hidrogen cair sebagai bahan bakar dan oksigen cair sebagai oksidator. Tahap SV diterbangkan empat kali pada misi SA-1 hingga SA-4, keempat misi ini tangki SV diisi dengan air untuk digunakan sebagai pemberat selama peluncuran. Tahap tersebut tidak diterbangkan dalam konfigurasi aktif.

Centaur D-1T (ditenagai oleh mesin RL10A-3-3) adalah versi perbaikan untuk digunakan pada pendorong Titan III yang jauh lebih kuat pada tahun 1970-an, dengan peluncuran pertama Titan IIIE yang dihasilkan pada tahun 1974. Titan IIIE lebih dari tiga kali lipat kapasitas muatan Atlas-Centaur, dan menggabungkan isolasi termal yang ditingkatkan, memungkinkan umur orbit hingga lima jam, peningkatan selama 30 menit dari Atlas-Centaur.

Peluncuran pertama Titan IIIE pada bulan Februari 1974 tidak berhasil, dengan hilangnya Space Plasma High Voltage Experiment (SPHINX) dan tiruan wahana Viking. Akhirnya diketahui bahwa mesin Centaur telah menelan klip yang dipasang secara tidak benar dari tangki oksigen.

Titan-Centaur berikutnya meluncurkan Helios 1, Viking 1, Viking 2, Helios 2, Voyager 1, dan Voyager 2. Pendorong Titan yang digunakan untuk meluncurkan Voyager 1 mengalami masalah perangkat keras yang menyebabkan penghentian prematur, yang dideteksi oleh tahap Centaur dan berhasil dikompensasi. Centaur mengakhiri pembakarannya dengan sisa bahan bakar kurang dari 4 detik.

Centaur D-1T memiliki spesifikasi umum berikut:

• Diameter : 3,2 m (126 inci)
• Panjang : 9,6 m (31,5 kaki)
• Massa inert : 1.827 kg (4.028 lb)
• Bahan Bakar : Hidrogen cair
• Oksidator : Oksigen cair
• Massa bahan bakar dan oksidator : 13.490 kg (29.750 lb)
• Panduan :
• Dorongan :
• Kemampuan Membakar : 3 sampai 4 kali pembakaran
• Mesin : 2 x RL10A-3-3
• Start mesin : Dapat dihidupkan ulang
• Kontrol sikap : 4 x pendorong 27 N (6 lbf)

Shuttle-Centaur merupakan tahap atas Space Shuttle yang diusulkan. Agar dapat dipasang di ruang muatan shuttle, diameter tangki hidrogen Centaur ditingkatkan menjadi 4,3 m (14 kaki), dengan diameter tangki LOX tetap 3,0 m (10 kaki). Dua varian diusulkan: Centaur G Prime, yang direncanakan untuk meluncurkan wahana antariksa robotik Galileo dan Ulysses, dan Centaur G, versi yang diperpendek, panjangnya diperkecil dari sekitar 9 menjadi 6 m (30 menjadi 20 kaki), yang direncanakan untuk muatan US DoD dan wahana antariksa Magellan Venus.

Setelah kecelakaan pesawat ulang alik Challenger, dan hanya beberapa bulan sebelum pesawat ulang alik Centaur dijadwalkan terbang, NASA menyimpulkan bahwa terlalu berisiko untuk menerbangkan Centaur pada pesawat ulang alik. Wahana antariksa diluncurkan dengan IUS berbahan bakar padat yang jauh kurang bertenaga, dengan Galileo membutuhkan beberapa bantuan gravitasi dari Venus dan Bumi untuk mencapai Jupiter.

Kesenjangan kemampuan yang ditinggalkan oleh penghentian program Shuttle-Centaur diisi oleh wahana peluncur baru, Titan IV. Versi 401A/B menggunakan tahap atas Centaur dengan tangki hidrogen berdiameter 4,3 meter (14 kaki). Dalam versi Titan 401A, Centaur-T diluncurkan sembilan kali antara tahun 1994 dan 1998. Wahana antariksa Cassini-Huygens Saturn tahun 1997 merupakan penerbangan pertama Titan 401B, dengan enam peluncuran tambahan yang berakhir pada tahun 2003 termasuk satu kegagalan SRB.

Tahap atas Atlas I adalah tahap Centaur I, yang berasal dari model Centaur sebelumnya yang juga terbang di atas pendorong Atlas. Centaur I menampilkan dua mesin RL-10-A-3A yang membakar hidrogen cair dan oksigen cair, menjadikan tahap ini sangat efisien. Untuk membantu memperlambat penguapan hidrogen cair di dalam tangki, Centaur menampilkan panel insulasi fiberglass yang dibuang 25 detik setelah mesin pendorong tahap pertama dibuang. Centaur I adalah versi terakhir dari tahap yang menampilkan panel insulasi pemisah.

Centaur II awalnya dikembangkan untuk digunakan pada roket seri Atlas II. Centaur II juga terbang pada peluncuran awal Atlas IIIA.

Atlas IIIB memperkenalkan Common Centaur, Centaur II yang lebih panjang dan awalnya bermesin ganda. [ 12 ]

• Diameter : 3,05 m (10 kaki)
• Panjang : 12,68 m (42 kaki)
• Massa inert : 2.247 kg (4.954 lb)
• Bahan Bakar : Hidrogen cair
• Oksidator : Oksigen cair
• Massa bahan bakar dan oksidator : 20.830 kg (45.922 lb)
• Panduan : Inersia
• Daya dorong : 99,2 kN (22.300 lbf)
• Waktu pembakaran : Variabel; misalnya, 842 detik pada Atlas V
• Mesin : RL10-C-1
• Panjang mesin : 2,32 m (7,6 kaki)
• Diameter mesin : 1,53 m (5 kaki)
• Berat kering mesin : 168 kg (370 lb)
• Mulai mesin : Dapat dihidupkan ulang
• Kontrol sikap : 4 x pendorong 27 N (6,1 lbf), 8 x pendorong 40 N (9,0 lbf)
• Propelan : Hidrazin

Sebagian besar Centaur Umum yang diluncurkan pada Atlas V memiliki ratusan hingga ribuan kilogram propelan yang tersisa pada pemisahan muatan. Pada tahun 2006, propelan ini diidentifikasi sebagai sumber daya eksperimental yang mungkin untuk menguji teknik manajemen cairan kriogenik di luar angkasa.

Pada bulan Oktober 2009, Angkatan Udara dan United Launch Alliance (ULA) melakukan demonstrasi eksperimental pada tahap atas Centaur yang dimodifikasi dari peluncuran DMSP-18 untuk meningkatkan "pemahaman tentang pengendapan dan slosh propelan, kontrol tekanan, pendinginan RL10 dan operasi penghentian dua fase RL10. DMSP-18 adalah muatan bermassa rendah, dengan sekitar 28% (5.400 kg (11.900 lb)) propelan LH 2 /LOX tersisa setelah pemisahan. Beberapa demonstrasi di orbit dilakukan selama 2,4 jam, diakhiri dengan pembakaran deorbit. Demonstrasi awal dimaksudkan untuk mempersiapkan eksperimen manajemen cairan kriogenik yang lebih maju yang direncanakan di bawah program pengembangan teknologi CRYOTE berbasis Centaur pada tahun 2012–2014, dan akan meningkatkan TRL penerus Centaur Tahap Evolusi Kriogenik Lanjutan.

Meskipun Centaur memiliki sejarah penerbangan yang panjang dan sukses, ia telah mengalami sejumlah kecelakaan:

• 7 April 1966: Centaur tidak dapat dinyalakan kembali setelah lepas landas — motor ullage kehabisan bahan bakar.
• 10 Agustus 1968: AC-17. Centaur tidak dapat memulai kembali setelah meluncur — lapisan es pada jalur pasokan hidrogen peroksida.
• 9 Mei 1971: Panduan Centaur gagal, menghancurkan dirinya sendiri dan pesawat ruang angkasa Mariner 8 yang menuju orbit Mars.
• 18 April 1991: AC-70. Centaur gagal dinyalakan ulang (masalah lapisan es). Investigasi kegagalan yang belum tuntas pada awalnya menyatakan bahwa Centaur gagal karena partikel dari bantalan gosok yang digunakan untuk membersihkan saluran propelan tersangkut di turbopump, sehingga mencegah dinyalakan ulang.
• 22 Agustus 1992: AC-71. Centaur gagal untuk memulai ulang (masalah lapisan es yang sama seperti insiden sebelumnya).
• 30 April 1999: Peluncuran satelit komunikasi USA-143 ( Milstar DFS-3m) gagal ketika kesalahan database Centaur mengakibatkan laju putaran tidak terkendali dan hilangnya kendali sikap, menempatkan satelit pada orbit yang tidak berguna.
• 15 Juni 2007: Mesin di tahap atas Centaur dari Atlas V mati lebih awal, meninggalkan muatannya — sepasang satelit pengawasan laut National Reconnaissance Office — di orbit yang lebih rendah dari yang dimaksudkan. Kegagalan itu disebut "Kekecewaan besar," meskipun pernyataan selanjutnya mengklaim pesawat ruang angkasa itu masih akan dapat menyelesaikan misinya. Penyebabnya ditelusuri ke katup yang macet terbuka yang menghabiskan sebagian bahan bakar hidrogen, mengakibatkan pembakaran kedua berakhir empat detik lebih awal. Masalahnya diperbaiki, dan penerbangan berikutnya berjalan lancar.
• 23–25 Maret 2018: Atlas V Centaur tahap kedua pasif diluncurkan pada 8 September 2009, hancur.
• 30 Agustus 2018: Tahap kedua pasif Atlas V Centaur yang diluncurkan pada 17 September 2014 hancur dan menimbulkan serpihan luar angkasa.
• 6 April 2019: Atlas V Centaur tahap kedua pasif diluncurkan pada 17 Oktober 2018, hancur.
• 6 September 2024: Atlas V Centaur tahap kedua pasif diluncurkan pada 1 Maret 2018, hancur.

• Penerbangan antariksa orbital
• Wahana tunda antariksa
• Satelit
• Roket
• Apogee motor
• Roket multitahap
• Kendaraan peluncur luar angkasa
• Roket tahap atas
• Orbit
• Orbit geosinkron
• Orbit geostasioner
• Orbit transfer geostasioner
• Injeksi translunar
• Orbit transfer Hohmann
• Apsis, titik terjauh apogee atau terdekat perigee sebuah objek dari pusat tarik-menarik dalam orbit elips,
• Mesin roket
• Oksidator
• Propelan
• Hipergolik (propelan) mudah menyala spontan ketika kontak kombinai komponen propelan eperti bahan bakar dan oksidator.
• N₂H₄ Hydrazine
• N₂O₄ Dinitrogen tetroxide
• MMH Monomethylhydrazine
• UDMH Unsymmetrical dimethylhydrazine
• LH₂ Hidrogen cair
• LOX Oksigen cair
• RP-1 (Rocket Propellant 1 atau Refined Petroleum 1) bahan bakar cair untuk roket kendaraan peluncuran luar angkasa.
• CH₄ Metana cair
• Kriogenik (bahan bakar) propelan cair pada temperatur yang sangat rendah berupa cair gas seperti hidrogen cair, untuk roket tahap pertama, tahap inti dan lainnya.
• Yuanzheng roket tahap atas CALT Tiongkok propelan hipergolik UDMH dan N2O4.
• Fregat (wahana antariksa) roket tahap atas Lavochkin Rusia propelan hipergolik UDMH dan N2O4.
• Delta Cryogenic Second Stage roket tahap atas Boeing United Launch Alliance Amerika SerikatMitsubishi Heavy Industries (Delta III) NASDA (design) Jepang propelan cair kriogenik LH2/LOX
• Briz (tahapan roket) roket tahap atas GKNPZ Khrunichev Rusia propelan cair hipergolik UDMH dan N2O4.
• CTS (tahapan roket) roket tahap atas CALT Tiongkok propelan padat HTPB / AP (SRM) dan cair hidrazin (pendorong monopropelan)

• Gunter's Space Page — information on Centaur versions and launch list
• Taming Liquid Hydrogen: The Centaur Upper Stage Rocket, 1958-2002 NASA History Publication.