Revelando vehículos y tecnologías para el transporte espacial futuro

FLPP supervisa los estudios de sistemas y las actividades de investigación para fomentar tecnologías nuevas y disruptivas que tienen el potencial de reducir costos, mejorar el rendimiento, mejorar la confiabilidad o su capacidad para satisfacer las necesidades específicas de un servicio, sistema, demostrador o misión identificados.

Dentro de FLPP, los demostradores y los estudios perfeccionan las tecnologías emergentes para dar al transporte espacial europeo una valiosa ventaja al comenzar el exigente trabajo de convertir el diseño elegido en realidad.

Los demostradores integrados se construyen combinando múltiples tecnologías en un sistema o subsistema para que la industria pueda usar la tecnología con confianza.

FLPP realiza proyectos en propulsión, materiales y procesos, reutilización, estructuras y mecanismos, Aviónica y control de navegación de guiado (GNC) y futuros sistemas y misiones de un extremo a otro.

Del laboratorio al lanzamiento

Una escala estandarizada de ‘Niveles de preparación tecnológica’ o TRL describe el nivel de madurez de una tecnología. Los niveles 1 a 2 denotan investigación básica.

Las tecnologías que se han demostrado en un entorno de laboratorio en el Nivel 3, se desarrollan aún más dentro de FLPP y se prueban en tierra, en vuelo o en el espacio a través de demostradores integrados para elevarlas a TRL 6.

Una vez que una tecnología ha alcanzado el nivel 6, se ha mitigado gran parte del riesgo relacionado con el uso de una nueva tecnología en un entorno espacial. Se puede engranar rápidamente en un sistema operativo (TRL 9) con costos y horarios optimizados.

Este enfoque tiene tres beneficios clave. Ofrece, dentro de un presupuesto contenido, un conjunto de opciones y actualizaciones para rápidos efectos secundarios aplicables a los vehículos de lanzamiento existentes; lleva a cabo investigación y desarrollo de alto valor añadido y protege la integración de sistemas y las competencias tecnológicas en Europa.

Los futuros servicios y sistemas de transporte espacial se evalúan en función de su competitividad y viabilidad económica.

El objetivo de la ESA es desarrollar un ecosistema de transporte espacial robusto y flexible que satisfaga las necesidades europeas. Para lograrlo, la ESA reúne sus diversos programas y unidades de negocio, el proveedor de servicios de lanzamiento de Europa e industrias como los fabricantes de naves espaciales y las empresas emergentes innovadoras.

Propulsión

Prometeo es el primer demostrador de motor cohete reutilizable de coste ultrabajo de Europa alimentado con metano líquido. Beneficiará al nuevo lanzador Ariane 6 de Europa a corto plazo y se preparará para una nueva generación de vehículos de lanzamiento europeos en la próxima década.

Este es un motor de clase 1000 kN; Un mayor desarrollo lo llevará pronto a 1200 kN. Es altamente versátil y reignitable, lo que lo hace adecuado para su uso en etapas centrales, de refuerzo y superiores, reutilizables o no. Su objetivo es reducir los costos a través de un enfoque extremo de diseño a costo, nuevos propulsores y tecnologías de fabricación innovadoras.

La fabricación aditiva capa por capa de Prometheus permite una producción más rápida, con menos piezas. Los propulsores líquidos de oxígeno y metano son altamente eficientes y están ampliamente disponibles y, por lo tanto, son un buen candidato para un motor reutilizable.

Se disparará un demostrador a gran escala en Francia a finales de 2021 para eliminar el riesgo de la primera campaña de prueba de Prometheus en el Centro Aeroespacial Alemán DLR en Lampoldshausen, Alemania, prevista para 2022. Prometheus se utilizará en Themis (una primera etapa reutilizable demostrador desarrollado dentro de FLPP) como parte de una demostración a bordo incremental de reutilización primero en Kiruna, Suecia en 2023, y luego en Kourou, Giuana francesa en 2025.

También se está desarrollando un concepto de Prometheus basado en combustible de hidrógeno líquido para proporcionar una alternativa al metano y podría estar disponible para su uso en Ariane 6 a partir de 2025.

ETID, un Demostrador integrado de tecnología de ciclo expansor, allana el camino para la próxima generación de motores criogénicos de etapa superior en Europa en la clase de 10 toneladas.

Prueba de un demostrador ETID a gran escala demostró las últimas tecnologías de propulsión. Los resultados de las pruebas se analizaron por completo, incluidas las verificaciones cruzadas para mejorar los modelos numéricos, así como la inspección completa del hardware probado.

La sinergia entre los proyectos Prometheus y ETID ha producido técnicas de fabricación aditiva revolucionarias para las cámaras de combustión que reducen los costes y el tiempo de entrega.

Berta, una clase de empuje de 5 kN, impresa en 3D Escala completa El demostrador de motores para etapas superiores ha realizado pruebas en DLR Lampholdshausen. Utiliza ‘propulsores almacenables’, llamados así porque pueden almacenarse como líquidos a temperatura ambiente. Los motores de cohetes que funcionan de esta manera son fáciles de enardecer de manera confiable y repetida en misiones que duran muchos meses.

Continuando con este proyecto y considerando el impacto ambiental de los propulsores almacenables utilizados actualmente, se están llevando a cabo investigaciones para preparar pruebas con nuevas combinaciones de propulsores ecológicos identificadas que permanecen almacenables pero son mucho menos tóxicas.

Se están realizando más demostraciones de propulsión híbrida después de la lanzamiento del Cohete de sonido de núcleo en Noruega, que alcanzó con éxito el espacio al alcanzar una altitud final de más de 100 km. Mira el videos completos aquí.

Materiales y procesos

FLPP ha estado validando materiales alternativos para hacer cohetes más livianos. Se están utilizando nuevos materiales compuestos para reemplace el aluminio por un escenario superior más ligero estructuras y tanques de combustible, así como para carenados de cohetes que protegen las cargas útiles en su camino al espacio.

Nuevos materiales aislantes y sistemas de desecho para carenados de cohetes también ofrecerá un viaje más suave y silencioso al espacio.

Se está rociando material de espuma de poliuretano de celda cerrada como aislamiento externo del tanque para las etapas superiores criogénicas y actualmente se está desarrollando una nueva solución para los mamparos de los tanques.

Las estructuras de cohetes secundarios podrían beneficiarse de procesos de fabricación mejorados, como inteligencia artificial y aprendizaje automático, o fabricación avanzada de capas aditivas para piezas estructurales críticas para fracturas construidas en titanio, aleación de aluminio de alta resistencia y polímero.

Reutilización

FLPP también está trabajando en la reutilización de vehículos de lanzamiento con los primeros pasos hacia la demostración en vuelo de un prototipo de cohete reutilizable de primera etapa llamado Themis a partir de 2023. El proyecto Themis proporcionará información valiosa sobre el valor económico de la reutilización para Europa y probará una selección de las tecnologías maduradas dentro de FLPP para su uso potencial en futuros vehículos de lanzamiento europeos.

Un éxito prueba de caída demostró algunas de las tecnologías para una primera etapa reutilizable de un microlanzador.

Las pruebas en túnel de viento y la dinámica de fluidos computacional están proporcionando información sobre las capacidades europeas para controlar el descenso de la primera etapa de un cohete, de regreso al suelo.

Además, un proyecto en curso con un ‘plataforma de prueba de vuelo‘capaz de transportar cargas útiles ha realizado vuelos de prueba cortos de despegue y aterrizaje.

Estructuras y mecanismos

Varios nuevos métodos de producción están mejorando la eficiencia de fabricación, por ejemplo, un ‘Formación de flujo’ La técnica da forma a un elemento metálico en un solo camino. Esto se ha demostrado en ensayos de fabricación cofinanciados entre la ESA y la NASA Langley.

Esta técnica reduce las costuras de soldadura, lo que hace que las estructuras de los cohetes sean más fuertes y ligeras al tiempo que acelera la producción. También es mejor para el medio ambiente porque ahorra energía y no hay material de desecho. Se fabricó y probó con éxito un cilindro de demostración de aluminio de 3 m de diámetro que se utilizaría como una etapa intermedia.

FLPP está investigando actuadores electromecánicos para una separación más suave y el descarte de las cargas útiles de los lanzadores que también reducirían los costos de las futuras evoluciones de los vehículos de lanzamiento europeos, así como sistemas de actuación avanzados de bajo costo para el control de los lanzadores.

Los sistemas de monitoreo de salud incorporan sensores en las partes estructurales para monitorear el entorno del lanzador para una mayor optimización.

Aviónica y GNC

Las tecnologías en este dominio evolucionan rápidamente. Se hace hincapié en aumentar la automatización para reducir el nivel de esfuerzo de control de navegación con guía (GNC) requerido durante una misión y para proporcionar capacidad de lanzamiento receptiva. FLPP está investigando actualmente la tecnología de optimización de la guía de trayectoria en tiempo real a bordo para futuros lanzadores reutilizables.

Un nuevo sistema de aviónica de bajo costo que se beneficia en gran medida de los componentes COTS y un diseño, verificación y validación rápidos y efectivos de GNC se demostrará con el lanzamiento de un cohete sonoro a finales de este año. Esto también servirá como una plataforma de prueba útil para asaltar nuevas tecnologías en el dominio del lanzador.

La comunicación inalámbrica futura reducirá la necesidad de cableado en las estructuras de los vehículos de lanzamiento y aumentará la flexibilidad.

Misiones y sistemas futuros

Los sistemas y misiones futuros son intrínsecamente complejos, y algunos necesitan ciclos de desarrollo prolongados de hasta una década. Por lo tanto, la ESA busca información temprana sobre las tendencias a largo plazo y las evoluciones potenciales a través de su iniciativa Nuevas Soluciones Europeas de Transporte Espacial (NESTS). En este contexto, se contratan varios servicios de transporte espacial y estudios de vehículos en competencia abierta con la industria, para preparar soluciones para la próxima década.

El cambio a la logística espacial, el transporte espacial más allá de la órbita terrestre baja hacia órbitas de mayor energía, a la Luna y Marte requerirá capacidades extendidas de Ariane 6 y los futuros cohetes para brindar un servicio de transporte de extremo a extremo. El enfoque de Space Logistics del servicio de transporte incluye, por ejemplo, conceptos de etapa inicial extendidos para brindar un servicio de extremo a extremo más allá del entrada al espacio solo. La interacción con la Dirección de Exploración Humana y Robótica de la ESA para misiones de exploración identificará las necesidades futuras de transporte espacial para una visión posterior a la Estación Espacial Internacional.