Топливо первой и второй ступеней — высококонцентрированная перекись водорода и керосин, соотношение окислитель/горючее 8,2:1.
На третьей ступени использовался специально разработанный РДТТ Waxwing на смесевом топливе, обладавший весьма высокими (для своего времени) удельными характеристиками. Двигатель и ПГ устанавливались на «вращающемся столе» второй ступени.
РН Black Arrow управлялась автопилотом, который удерживал ракету на программной траектории.
После того, как в первой ступени заканчивалось топливо, она отделялась с помощью специализированных РДТТ.
Головной обтекатель, закрывающий спутник, сбрасывался вскоре после включения ЖРД второй ступени.
По окончании работы ЖРД второй ступени ракета продолжала баллистический полет к апогею траектории. При этом программная ориентация поддерживалась газореактивной системой управления второй ступени. Как только носитель достигал апогея, включался «вращающийся стол». Затем срабатывали фиксаторы и пружины разделения, отпуская третью ступень в свободный полет. Задействовался РДТТ, и полезный груз разгонялся до орбитальной скорости.
Запускалась РН с модернизированного стартового стола ракеты Black Knight (Вумера).
В рамках программы Black Arrow разрабатывались спутники нескольких серий.
Первыми предполагалось запускать телеметрические контейнеры серии В, предназначенные в основном для контроля работы бортовых систем экспериментальных РН.
Поскольку при полете Black Arrow с аппаратом В1 включались двигатели только первых двух ступеней РН, на орбиту он не выводился.
Контейнер В2 (орбитальный, массой 85–90 кг) дополнительно был снабжен радиомаяком и источниками питания, рассчитанными на месяц работы. Предусматривалось также изготовление запасного аппарата ВЗ, аналогичного В2. Вместе с В2 и ВЗ при запусках экспериментальных РН — миссии R1 (конец 1969 г.) и R2 (начало 1970 г.) — на орбиту 350х1874 км и наклонением 80,4° предполагалось вывести опытные НАУЧНЫЕ спутники Х1 и Х2. Расчетная продолжительность работы этих ИСЗ — 3 года. По эволюции их орбит, в частности, надеялись выяснить причины сезонных изменений плотности атмосферы с максимумами в апреле и октябре и минимумами в январе и июле.
Спутник Х1 (Х2) представлял собой тонкостенную сферу из алюминиевого сплава диаметром 0,76 м и массой 12,7 кг. Корпус собирался из двух полусферических оболочек, разделенных изолирующим кольцом. Поверхность оболочек отполирована, а на Х1 еще и покрывалась слоем золота толщиной 5 мкм, который осаждался на никелевую подложку. С целью поддержания заданного температурного режима на наружную поверхность нанесены белые пятна. В центре масс размещен контейнер с радиомаяком (136 Мгц, 50 мВт) системы траекторных измерений и батареи питания. Антенной служит оболочка аппарата.
По мере отработки РН Black Arrow предполагалось начать запуски более сложных ИСЗ для проведения технологических экспериментов и научных исследований.
Спутник Х3, запуск которого намечался на 1971 г., планировалось вывести на близкую к полярной орбиту 480х1600 км. Расчетная масса спутника — 72 кг, высота корпуса 0,71 м, наибольший поперечный размер 1,14 м. Корпус имел форму 24-гранной призмы. На орбите ИСЗ должен был стабилизироваться вращением (последняя ступень РН вместе со спутником раскручивалась до 960 об/мин, затем скорость вращения ИСЗ снижалась до 200 об/мин).
На спутнике Х3 планировалось разместить:
— экранированные солнечные элементы (в т. ч. облегченные кремниевые и гибридные тонко— и толстопленочные);
— перспективные теплоотражающие краски и покрытия;
— приборы для измерения концентрации протонов и электронов по траектории полета ИСЗ;
— датчики метеорных частиц размером до 0,1 мм.
На спутнике Х4 предполагалось установить оборудование для контроля работы системы ориентации и стабилизации РН Black Arrow. ИСЗ Х5 (обозначаемый также как S1) планировалось оснастить электро- ракетным двигателем тягой 1,5 гс.
Сокращенная программа ЛКИ (три старта вместо пяти) предполагала, что попытка орбитального запуска должна быть предпринята уже во втором полете. Первый носитель — Black Arrow R0 — включал две реальные нижние ступени и макетную третью. Основной целью миссии R0 было испытание ЖРД Gamma-8 и Gamma-2 первой и второй ступеней соответственно. В следующем запуске (Black Arrow R1) предполагалось испытать третью ступень носителя и двигатель Waxwing, а также «попутно» вывести на орбиту «упрощенный» спутник Х1. Black Arrow R2 должна была стать первой ракетой, несущей полностью «рабочий» научно-исследовательский ИСЗ.
Запуск R0 планировался на январь 1968 г. Однако при стендовых испытаниях ЖРД Gamma возникли неполадки, требующие переделки двигателей. Проблемы были решены лишь к апрелю 1969 г., в результате носитель и стартовая команда прибыли в Австралию только к лету. 28 июня 1969 г. оглушительный рев двигателя Gamma-8 возвестил о том, что «Черная стрела» R0 поднялась в воздух. РН ушла по «короткой» северо-западной трассе, по которой ранее пускали высотные ракеты Black Knight.
Через несколько секунд траектория R0 стала скручиваться в спираль. Нерасчетные колебания привели к тому, что створки головного обтекателя и макетная третья ступень самопроизвольно отделились. На высоте 8 км поврежденный носитель опрокинулся и начал кувыркаться. Когда ракета снизилась ниже 3 км, офицер безопасности полигона разрушил R0: по его сигналу двуокись марганца была введена в баки перекиси водорода, и РН взорвалась.
Телеметрические данные с R0 позволили установить, что одна из четырех пар камер сгорания ЖРД Gamma-8 неоднократно перекладывалась взад-вперед во всем диапазоне перемещений. Это почти наверняка было вызвано потерей сигнала обратной связи — вероятно, в результате обрыва провода. Объединенный эффект этого ненормального перемещения и попыток его компенсации тремя другими парами камер привел к спиралеобразному движению РН после запуска.
4 марта 1970 г. ракета R1, которую ранее планировали для первой попытки орбитального запуска, но переделали под суборбитальную спецификацию, была запущена для повторения полетной программы R0. На сей раз носитель сработал превосходно. Запуску R2 с тремя «живыми» ступенями и спутником X2 был дан «зеленый свет».
У Великобритании наконец-то появился шанс стать шестой державой — после Советского Союза, Соединенных Штатов, Франции, Японии и Китая — достигшей орбиты собственными средствами.
РН взлетела 2 сентября 1970 г. и начала разгон по «длинной» северо-восточной трассе. Вдруг, после отделения первой ступени, двигатель Gamma-2 второй ступени стал терять тягу. Он выключился почти на 30 сек раньше, чем требовалось. Несмотря на это, R2 продолжила «выход на орбиту». Отделение второй ступени прошло без осложнений, и двигатель третьей ступени Waxwing запустился успешно. Однако этот РДТТ, сработавший безупречно, не смог компенсировать недостаток скорости.
