O Ônibus Espacial Centaur (inglês: Shuttle-Centaur) foi uma versão do estágio superior de foguete Centaur, projetada para ser transportada dentro do onibus espacial e utilizada para lançar satélites em órbitas altas da Terra ou sondas espaciais em missões de espaço profundo. Foram desenvolvidas duas variantes: a Centaur G-Prime, planejada para lançar as sondas robóticas e em direção a Júpiter, e a Centaur G, uma versão reduzida destinada ao uso com os satélites Milstar do Departamento de Defesa dos Estados Unidos e a sonda Magellan para Vênus. O potente estágio superior Centaur possibilitava o transporte de sondas espaciais mais pesadas e encurtava o tempo de viagem até Júpiter, prolongando a vida operacional das espaçonaves. Contudo, nenhuma das variantes chegou a ser utilizada em uma missão do Ônibus Espacial. O projeto contou com o apoio da Força Aérea dos Estados Unidos (USAF) e do Escritório Nacional de Reconhecimento, que argumentaram que seus satélites confidenciais exigiam a potência do Centaur. A USAF concordou em custear metade dos custos de projeto e desenvolvimento do Centaur G, enquanto a Administração Nacional de Aeronáutica e Espaço (NASA) financiou a outra metade.
Ambas as versões eram acomodadas no sistema de suporte integrado Centaur (CISS), uma estrutura de alumínio reutilizável que gerenciava as comunicações entre o Ônibus Espacial e o Centaur. Todos os estágios Centaur liberavam periodicamente hidrogênio, que precisa ser armazenado abaixo de para evitar sua ebulição. Duas missões do Ônibus Espacial-Centaur estavam programadas, com janelas de lançamento de uma hora, separadas por seis dias, exigindo duas espaçonaves e plataformas de lançamento distintas. Os Ônibus Espaciais Challenger e Atlantis foram modificados para transportar o CISS. Os motores principais do Ônibus Espacial seriam operados a 109% de sua potência nominal (enquanto voos regulares utilizavam 104%, possível devido às margens descobertas após o desenvolvimento). As cargas úteis precisavam ser liberadas no primeiro dia em órbita, e as missões seriam realizadas por tripulações de quatro astronautas experientes, que já haviam voado ao espaço e não sofriam da síndrome de adaptação ao espaço. O primeiro Centaur G-Prime foi concluído na fábrica da General Dynamics em , em 13 de agosto de 1985.
Meses antes do lançamento planejado do Ônibus Espacial-Centaur, ocorreu o desastre do Ônibus Espacial Challenger, e o projeto foi cancelado. As sondas Galileo e Ulysses foram lançadas utilizando o estágio superior inercial (IUS), movido a foguete de propelente sólido, muito menos potente, com o Galileo necessitando de múltiplas assistências gravitacionais de Vênus e da Terra para alcançar Júpiter. A USAF adaptou uma variante do Centaur G-Prime ao foguete Titan para criar o Titan IV, que realizou seu primeiro voo em 1994. Nos 18 anos seguintes, o Titan IV e o Centaur G-Prime colocaram 18 satélites militares em órbita.
Contexto Centaur O Centaur é um estágio superior de foguete que utiliza hidrogênio líquido como combustível e oxigênio líquido como oxidante. Desenvolvido pela General Dynamics no final dos anos 1950 e início dos 1960, é equipado com dois motores Pratt & Whitney RL10. Foguetes que utilizam hidrogênio líquido podem, teoricamente, transportar 40% mais carga útil por quilograma de peso na decolagem em comparação com foguetes que usam querosene, mas os desafios de utilizar hidrogênio líquido exigiram o desenvolvimento de novas tecnologias. O hidrogênio líquido é um , que condensa em temperaturas extremamente baixas e deve ser armazenado abaixo de para evitar sua ebulição. Assim, era necessário isolamento contra todas as fontes de calor, incluindo o escapamento do foguete, o oxigênio líquido relativamente quente, o aquecimento aerodinâmico e o calor radiante do Sol.
O combustível poderia ser perdido por orifícios microscópicos, pelos quais apenas o hidrogênio poderia vazar, mas a vedação do tanque criava outro problema. Mesmo com isolamento, vazamentos de calor poderiam elevar a temperatura e causar a ebulição do hidrogênio, resultando em acúmulo de pressão no tanque, que poderia romper-se sem uma ventilação adequada. No entanto, uma ventilação excessiva levaria à perda de quantidades excessivas de combustível. Esses desafios dificultaram o desenvolvimento do Centaur, com problemas técnicos como vazamentos de combustível pelas soldas e a contração da antepara metálica ao entrar em contato súbito com as temperaturas criogênicas do hidrogênio líquido. Além disso, a explosão de um motor RL10 em um durante uma demonstração para oficiais da Força Aérea dos Estados Unidos (USAF) e da Administração Nacional de Aeronáutica e Espaço (NASA) complicou ainda mais o projeto.
A gestão do projeto foi transferida do Centro de Voos Espaciais Marshall da NASA, em Huntsville, Alabama, para o Centro de Pesquisa Lewis em Ohio, em outubro de 1962, sob a liderança de , um forte defensor do hidrogênio líquido. Ele insistiu em um rigoroso regime de testes, que identificou problemas e sugeriu soluções. Os problemas técnicos do Centaur foram gradualmente superados. O projeto incluiu características de redução de peso pioneiras pela família de foguetes Atlas: uma carcaça de aço monocoque que mantinha sua forma apenas quando pressurizada, tanques de hidrogênio e oxigênio separados por uma antepara comum e ausência de reforços internos ou isolamento ao redor dos tanques de propelente. A tecnologia para manipulação do hidrogênio líquido no Centaur também foi aplicada nos estágios superiores S-II e S-IVB do foguete Saturn V, e posteriormente no tanque externo do Ônibus Espacial e nos motores principais do Ônibus Espacial (SSME).
Durante as décadas de 1960 e 1970, o Centaur foi utilizado como estágio superior dos veículos de lançamento Atlas-Centaur, que lançaram sete missões do programa Surveyor, cinco missões do programa Mariner e as sondas Pioneer 10 e 11. Na década de 1970, o Centaur também foi acoplado ao impulsionador Titan III da USAF para criar o veículo de lançamento Titan IIIE, utilizado nas missões Viking, Helios e Voyager. Até 1980, os estágios superiores Centaur haviam voado 55 vezes, com apenas duas falhas.
Estágios superiores do Ônibus Espacial A decisão de 1972 para desenvolver o ônibus espacial trouxe desafios para os projetos de exploração do Sistema Solar com sondas robóticas, que enfrentavam crescente escrutínio de uma administração Nixon e do Congresso dos Estados Unidos cada vez mais preocupados com custos. O Ônibus Espacial não foi projetado para operar além da órbita baixa da Terra, mas muitos satélites, especialmente satélites de comunicação, exigiam órbitas geoestacionárias. O conceito original do Ônibus Espacial previa um rebocador espacial tripulado, lançado por um Saturn V, que utilizaria uma estação espacial como base e seria abastecido pelo Ônibus Espacial. Restrições orçamentárias levaram ao término da produção do Saturn V em 1970 e ao abandono dos planos para uma estação espacial. O rebocador espacial tornou-se um estágio superior, transportado ao espaço pelo Ônibus Espacial. Como precaução contra cortes adicionais ou dificuldades técnicas, a NASA também encomendou estudos de estágios superiores reutilizáveis Agena e Centaur.
Com o orçamento limitado, a NASA buscou transferir projetos relacionados ao Ônibus Espacial para outras organizações. O Vice-Administrador da NASA, George Low, reuniu-se com , Diretor de Pesquisa e Engenharia de Defesa, em setembro de 1973, e chegou a um acordo informal para que a USAF desenvolvesse um estágio superior interino (IUS) para o Ônibus Espacial, usado para lançar satélites em órbitas mais altas até o desenvolvimento do rebocador espacial. Após debates, autoridades do Pentágono concordaram em se comprometer com o IUS em 11 de julho de 1974. O Secretário de Defesa, James R. Schlesinger, confirmou a decisão em reunião com o Administrador da NASA James C. Fletcher e Low quatro dias depois. Contratos de estudo foram realizados, resultando na decisão de que o IUS seria um estágio superior descartável de foguete de propelente sólido. Um edital foi lançado, e a Boeing venceu a concorrência em agosto de 1976. O IUS foi renomeado como Estágio Superior Inercial em dezembro de 1977. O Centro de Voos Espaciais Marshall foi designado como o centro líder para gerenciar o trabalho do IUS.
Em abril de 1978, o custo estimado para o desenvolvimento do IUS era de US$ 263 milhões (equivalente a US$ 1,327 bilhões setembro de 2025), mas em dezembro de 1979 foi renegociado para US$ 430 milhões (equivalente a US$ 1,821 bilhões setembro de 2025). A principal desvantagem do IUS era sua potência insuficiente para lançar uma carga até Júpiter sem recorrer a manobras de estilingue gravitacional ao redor de outros planetas para ganhar velocidade, algo que a maioria dos engenheiros considerava pouco elegante e que cientistas planetários do Laboratório de Propulsão a Jato (JPL) da NASA desaprovavam, pois prolongava a missão em meses ou anos para alcançar Júpiter. O IUS foi construído de forma modular, com dois estágios: um maior com 9700 kg de propelente e um menor com 2700 kg, suficiente para a maioria dos satélites. Também podia ser configurado com dois estágios grandes para lançar múltiplos satélites. A USAF solicitou à NASA uma configuração com três estágios, dois grandes e um pequeno, que poderia ser usada para missões planetárias como a Galileo. A NASA contratou a Boeing para seu desenvolvimento.
Sondas de espaço profundo O Congresso aprovou o financiamento para a Sonda Orbitadora de Júpiter em 12 de julho de 1977. No ano seguinte, a espaçonave foi renomeada Galileo em homenagem a Galileu Galilei, o astrônomo do século XVII que descobriu as quatro maiores luas de Júpiter, hoje conhecidas como luas galileanas. Durante o início dos anos 1980, o Galileo enfrentou dificuldades técnicas e financeiras, e o Escritório de Gestão e Orçamento (OMB) marcou a NASA para cortes orçamentários. A intervenção da USAF salvou o Galileo do cancelamento, interessada no desenvolvimento de espaçonaves autônomas como o Galileo, capazes de realizar ações evasivas contra armas antissatélite e resistir à intensa radiação da magnetosfera de Júpiter, com aplicações em sobreviver a detonações nucleares próximas. O projeto Galileo visava uma janela de lançamento em janeiro de 1982, quando o alinhamento dos planetas favoreceria uma manobra de estilingue com Marte para alcançar Júpiter. O Galileo seria a quinta espaçonave a visitar Júpiter e a primeira a orbitá-lo, enquanto a sonda que carregava seria a primeira a entrar em sua atmosfera. Em dezembro de 1984, o gerente do projeto Galileo, , propôs que o Galileo realizasse um sobrevoo do asteroide 29 Amphitrite a caminho de Júpiter, marcando a primeira vez que uma missão espacial dos EUA visitaria um asteroide. O Administrador da NASA, James M. Beggs, aprovou a proposta como objetivo secundário do Galileo.
Para aumentar a confiabilidade e reduzir custos, os engenheiros do projeto Galileo decidiram mudar de uma sonda de entrada atmosférica pressurizada para uma ventilada, adicionando 100 kg ao seu peso, além de outros 165 kg em mudanças estruturais para melhorar a confiabilidade, o que exigiria combustível extra no IUS. No entanto, o IUS de três estágios estava acima do peso, cerca de 3200 kg além de suas especificações de projeto. Levantar o Galileo e o IUS exigiria o uso de uma versão leve especial do tanque externo do Ônibus Espacial, o Orbitador do ônibus espacial despojado de todos os equipamentos não essenciais e os motores principais operando a plena potência — 109% de seu nível nominal. Isso exigiu o desenvolvimento de um sistema de resfriamento de motor mais elaborado. No final de 1979, atrasos no programa do Ônibus Espacial adiaram o lançamento do Galileo para 1984, quando os planetas não estariam mais alinhados para que um estilingue com Marte fosse suficiente para alcançar Júpiter.