Presentació de vehicles i tecnologies per al futur transport espacial

FLPP supervisa estudis de sistemes i activitats de recerca per fomentar tecnologies noves i perjudicials que tinguin el potencial de reduir costos, millorar el rendiment, millorar la fiabilitat o la seva capacitat per satisfer les necessitats específiques d’un servei, sistema, demostrador o missió identificats.

Dins de FLPP, demostradors i estudis perfeccionen les tecnologies emergents per donar al transport espacial europeu un avantatge valuós quan comencen el treball exigent de convertir el disseny escollit en realitat.

Els demostradors integrats es construeixen combinant múltiples tecnologies en un sistema o subsistema perquè la indústria pugui utilitzar la tecnologia amb confiança.

FLPP realitza projectes a propulsió, materials i processos, reutilització, estructures i mecanismes, aviónica i control de navegació de guiatge (GNC) i futurs sistemes i missions d’extrem a extrem.

Del laboratori al llançament

Una escala estandarditzada de “Nivells de preparació tecnològica” o TRL descriu el nivell de maduresa d’una tecnologia. Els nivells 1-2 indiquen la investigació bàsica.

Les tecnologies que s’han demostrat en un entorn de laboratori al nivell 3, es desenvolupen més dins de FLPP i es posen a prova sobre el terreny, en vol o a l’espai mitjançant demostradors integrats per elevar-les a TRL 6.

Un cop una tecnologia ha assolit el nivell 6, s’ha mitigat gran part del risc relacionat amb l’ús d’una nova tecnologia en un entorn espacial. Es pot incorporar ràpidament a un sistema operatiu (TRL 9) amb un cost i un calendari optimitzats.

Aquest enfocament té tres avantatges clau. Ofereix dins d’un pressupost contingut un conjunt d’opcions i actualitzacions per a derivacions ràpides aplicables als vehicles de llançament existents; duu a terme recerca i desenvolupament d’alt valor afegit i protegeix la integració de sistemes i les competències tecnològiques a Europa.

Els futurs serveis i sistemes de transport espacial s’avaluen en funció de la seva competitivitat i viabilitat econòmica.

L’objectiu de l’ESA és desenvolupar un ecosistema de transport espacial robust i flexible que serveixi a les necessitats europees. Per aconseguir-ho, l’ESA reuneix els seus diversos programes i unitats de negoci, el proveïdor europeu de serveis de llançament, i la indústria, com ara fabricants de naus espacials i empreses innovadores de nova creació.

Propulsió

Prometeu és el primer demostrador de motors coets reutilitzables d’últim cost a Europa, alimentat per metà líquid. Beneficiarà el nou llançador europeu Ariane 6 a curt termini i es prepararà per a una nova generació de vehicles de llançament europeus en la propera dècada.

Es tracta d’un motor de la classe de 1000 kN; el desenvolupament posterior aviat portarà fins a 1200 kN. És molt versàtil i reiniciable, per la qual cosa és apte per al seu ús en el nucli, el reforç i les fases superiors, reutilitzable o no. El seu objectiu és reduir els costos mitjançant un enfocament de disseny a cost extrem, un nou propulsor i tecnologies de fabricació innovadores.

La fabricació additiva capa per capa de Prometeu permet una producció més ràpida, amb menys parts. Els propelents oxigen líquid-metà són altament eficients i estan àmpliament disponibles i, per tant, són un bon candidat per a un motor reutilitzable.

A finals de 2021, es dispararà un manifestant a gran escala per desafiar la primera campanya de proves de Prometheus al DLR German Aerospace Center de Lampoldshausen, Alemanya, prevista per al 2022. Prometheus s’utilitzarà a Themis (una primera etapa reutilitzable) demostrador desenvolupat dins de FLPP) com a part d’una demostració incremental de la reutilització en vol primer a Kiruna, Suècia el 2023, i després a Kourou, Giuana francesa el 2025.

Un concepte de Prometeu basat en combustible d’hidrogen líquid també està en desenvolupament per proporcionar una alternativa al metà i podria estar disponible per al seu ús a Ariane 6 ja el 2025.

ETID, un Demostrador integrat de tecnologia de cicle d’expansió, obre el camí per a la propera generació de motors criogènics d’escenaris superiors a Europa en la classe de 10 tones.

Proves d’un demostrador ETID a gran escala va demostrar les últimes tecnologies de propulsió. Els resultats de les proves es van analitzar completament, incloses les comprovacions creuades per millorar els models numèrics, així com la inspecció completa del maquinari provat.

La sinergia entre els projectes Prometeu i ETID ha donat lloc a tècniques de fabricació additiva que canvien el joc per a les cambres de combustió que redueixen el cost i el temps de lliurament.

Berta, una classe d’empenta de 5kN, impresa en 3D a gran escala demostrador de motors per a etapes superiors ha realitzat proves a DLR Lampholdshausen. Utilitza “propelents emmagatzemables”, anomenats tals perquè es poden emmagatzemar com a líquids a temperatura ambient. Els motors coets que s’alimenten d’aquesta manera són fàcils d’encendre de manera fiable i repetida en missions de molts mesos.

Continuant amb aquest projecte i tenint en compte l’impacte ambiental dels propulsors emmagatzemables que s’utilitzen actualment, s’estan realitzant investigacions per preparar proves amb noves combinacions de propelents respectuosos amb el medi ambient que es conservin però que siguin molt menys tòxiques.

Després de la demostració de propulsió híbrida, s’estan realitzant altres demostracions llançament del fitxer Coet sonant de nucli a Noruega, que va assolir l’espai amb èxit assolint una altitud final de més de 100 km. Mireu el vídeos complets aquí.

Materials i processos

FLPP ha estat validant materials alternatius per fer els coets més lleugers. S’està utilitzant nous materials compostos substituir l’alumini per l’etapa superior més lleugera estructures i dipòsits de combustible, així com per a carenats de coets que protegeixen les càrregues útils en el seu camí cap a l’espai.

Nous materials d ‘aïllament i sistemes d’ abandonament de carenats de coets també oferirà un viatge més suau fins a l’espai.

S’està polvoritzant material d’escuma de poliuretà amb cèl·lules tancades com a aïllament del tanc extern per a les fases superiors criogèniques i actualment s’està desenvolupant una nova solució per als mampars de tancs.

Les estructures secundàries de coets es podrien beneficiar de processos de fabricació millorats com la intel·ligència artificial i l’aprenentatge automàtic, o la fabricació avançada de capes additives per a peces estructurals crítiques per a fractures construïdes en titani, aliatge d’alumini d’alta resistència i polímer.

Reutilització

FLPP també treballa en la reutilització del vehicle de llançament amb els primers passos cap a la demostració en vol d’un prototip de coet reutilitzable de la primera etapa anomenat Temis a partir del 2023. El projecte Themis proporcionarà informació valuosa sobre el valor econòmic de la reutilització per a Europa i demostrarà una selecció de les tecnologies madurades dins de FLPP per al seu ús potencial en futurs vehicles de llançament europeus.

Un èxit prova de caiguda va demostrar algunes de les tecnologies per a una primera etapa reutilitzable d’un microllançador.

Les proves del túnel del vent i la dinàmica de fluids computacionals proporcionen informació sobre les capacitats europees per controlar el descens de la primera etapa del coet, cap al sòl.

A més, un projecte en curs amb unplataforma volant de banc de proves“capaç de transportar càrregues útils ha realitzat vols de prova breus d’enlairament i aterratge.

Estructures i mecanismes

Diversos nous mètodes de producció milloren l’eficiència de fabricació, per exemple, a “Formació de flux” la tècnica dóna forma a un element metàl·lic en un sol pas. Això s’ha demostrat en assajos de fabricació cofinançats entre l’ESA i la NASA Langley.

Aquesta tècnica redueix les costures de soldadura, cosa que fa que les estructures dels coets siguin més fortes i lleugeres alhora que s’accelera la producció. També és millor per al medi ambient perquè estalvia energia i no hi ha residus. Es va fabricar i provar amb èxit un cilindre de demostració d’alumini de 3 m de diàmetre que s’utilitzaria com a fase interetapa.

FLPP investiga actuadors electromecànics per a una separació més suau i eliminació de les càrregues útils del llançador que també reduirien els costos per a futures evolucions dels vehicles de llançament europeus, així com sistemes avançats d’actuació de baix cost per al control dels llançadors.

Els sistemes de monitorització de la salut incorporen sensors a les parts estructurals per tal de supervisar l’entorn del llançador per obtenir una optimització posterior.

Aviónica i GNC

Les tecnologies d’aquest domini evolucionen ràpidament. Es posa el focus en l’augment de l’automatització per reduir el nivell d’esforç de control de navegació per guia (GNC) requerit durant una missió i per proporcionar capacitat de llançament sensible. FLPP està investigant actualment la tecnologia d’optimització de l’orientació de la trajectòria en temps real per a futurs llançadors reutilitzables.

Un nou sistema aviàtic de baix cost que es beneficiarà en gran mesura dels components COTS i el disseny, verificació i validació ràpida i eficaç de GNC es demostrarà amb un llançament de coets sonor a finals d’aquest any. Això també servirà com a útil plataforma de proves per abordar les noves tecnologies en el domini del llançador.

La futura comunicació sense fils reduirà la necessitat de cablejat a les estructures del vehicle de llançament i augmentarà la flexibilitat.

Futurs sistemes i missions

Els futurs sistemes i missions són intrínsecament complexos, i alguns necessiten llargs cicles de desenvolupament de fins a una dècada. Per tant, l’ESA busca informació inicial sobre les tendències a llarg termini i les possibles evolucions a través de la seva iniciativa New European Space Transportation Solutions (NESTS). En aquest context, es contracten diversos serveis de transport espacial i estudis de vehicles en competència oberta amb la indústria, per preparar solucions per a la propera dècada.

El canvi cap a la logística espacial, el transport espacial més enllà de l’òrbita baixa de la Terra cap a òrbites d’energia més elevada, cap a la Lluna i Mart requerirà capacitats extenses d’Ariane 6 i dels futurs coets per oferir un servei de transport de punta a punta. L’enfocament de la logística espacial del servei de transport inclou, per exemple, conceptes de fase de patada estesa per oferir un servei de punta a punta més enllà de l’accés a l’espai. La interfície amb la Direcció d’Exploració Humana i Robòtica de l’ESA per a missions d’exploració identificarà les necessitats futures de transport espacial per a una visió posterior de l’Estació Espacial Internacional.