Afsløring af køretøjer og teknologier til fremtidig rumtransport

ESA sikrer Europas garanterede adgang til rummet gennem sit Future Launchers Preparatory Program, FLPP.

FLPP fører tilsyn med systemundersøgelser og forskningsaktiviteter for at fremme nye og forstyrrende teknologier, som har potentialet til at reducere omkostningerne, forbedre ydeevnen, forbedre pålideligheden, eller på deres evne til at opfylde de specifikke behov for en identificeret tjeneste, system, demonstrant eller mission.

Inden for FLPP, demonstranter og studier finpudser nye teknologier for at give Europas rumtransport et værdifuldt forspring, når de begynder det krævende arbejde med at omsætte det valgte design til virkelighed.

Integrerede demonstratorer er bygget ved at kombinere flere teknologier i ét system eller delsystem, så industrien kan bruge teknologien med tillid.

FLPP udfører projekter inden for fremdrift, materialer og processer, genanvendelighed, strukturer og mekanismer, flyelektronik og navigationskontrol (GNC), og fremtidige end-to-end systemer og missioner.

Fra laboratorium til lancering

En standardiseret skala for "Technology Readiness Levels" eller TRL beskriver modenhedsniveauet for en teknologi. Niveau 1-2 betegner grundforskning.

Teknologier, der er blevet demonstreret i et laboratoriemiljø på niveau 3, er videreudviklet inden for FLPP og testet på jorden, under flyvning eller i rummet via integrerede demonstratorer for at hæve dem til TRL 6.

Når en teknologi har nået niveau 6, meget af risikoen forbundet med at bruge en ny teknologi i et rummiljø er blevet afbødet. Det kan hurtigt integreres i et driftssystem (TRL 9) med optimeret pris og tidsplan.

Denne tilgang har tre vigtige fordele. Den tilbyder inden for et begrænset budget en pulje af muligheder og opgraderinger til hurtige spin-offs, der gælder for eksisterende løfteraketter; det udfører forskning og udvikling med høj værditilvækst, og det sikrer systemintegration og teknologiske kompetencer i Europa.

Fremtidige rumtransporttjenester og -systemer vurderes på deres konkurrenceevne og økonomiske levedygtighed.

ESA's mål er at udvikle et robust og fleksibelt rumtransportøkosystem, som tjener europæiske behov. For at opnå dette, ESA samler sine forskellige programmer og forretningsenheder, Europas lanceringstjenesteudbyder, og industri såsom rumfartøjsfabrikanter og innovative nystartede virksomheder.

Fremdrift

Prometheus er Europas første ultra-billige genanvendelige raketmotordemonstrator, der drives af flydende metan. Det vil gavne Europas nye Ariane 6 løfteraket på kort sigt og forberede sig på en ny generation af europæiske løfteraketter i det næste årti.

Dette er en 1000 kN klasse motor; yderligere udvikling vil snart bringe dette op på 1200 kN. Det er meget alsidigt og genantændeligt, gør den velegnet til brug på kernen, booster og øvre stadier, genanvendelig eller ej. Det sigter mod at skære omkostningerne ned gennem en ekstrem design-til-omkostningstilgang, nye drivmidler og innovative produktionsteknologier.

Additiv lag-for-lag fremstilling af Prometheus muliggør hurtigere produktion, med færre dele. Flydende oxygen-methan drivmidler er yderst effektive og bredt tilgængelige og derfor en god kandidat til en genanvendelig motor.

En demonstrator i fuld skala vil blive affyret i Frankrig i slutningen af ​​2021 for at fjerne risikoen for Prometheus første testkampagne på DLR German Aerospace Center i Lampoldshausen, Tyskland, forventes i 2022. Prometheus vil blive brugt på Themis (en genanvendelig første trins demonstrator udviklet inden for FLPP) som en del af en gradvis demonstration af genanvendelighed ombord i Kiruna, Sverige i 2023, og så i Kourou, Fransk Giuana i 2025.

Et Prometheus-koncept baseret på flydende brintbrændstof er også under udvikling for at give et alternativ til metan og kunne være tilgængeligt til brug på Ariane 6 allerede i 2025.

ETID, en Expander-cycle Technology Integrated Demonstrator, baner vejen for den næste generation af kryogene øvre trinsmotorer i Europa i 10-tonsklassen.

Afprøvning af en fuldskala ETID demonstrator beviste de nyeste fremdriftsteknologier. Testresultaterne blev fuldt analyseret inklusive krydstjek for at forbedre numeriske modeller samt den fulde inspektion af den testede hardware.

Synergi mellem Prometheus- og ETID-projekterne har givet spilskiftende additive fremstillingsteknikker til forbrændingskamre, der reducerer omkostninger og gennemløbstid.

Berta, en 5kN-trykklasse, 3D-printet fuldskala motordemonstrator til øvre trin har udført test hos DLR Lampholdshausen. Den bruger 'opbevarbare drivmidler, " kaldet sådan, fordi de kan opbevares som væsker ved stuetemperatur. Raketmotorer, der drives på denne måde, er nemme at antænde pålideligt og gentagne gange på missioner, der varer mange måneder.

I fortsættelse af dette projekt og i betragtning af miljøpåvirkningen af ​​de aktuelt anvendte oplagbare drivmidler, undersøgelser er i gang for at forberede tests med identificerede nye miljøvenlige drivmiddelkombinationer, der forbliver lagrelige, men er meget mindre giftige.

Yderligere hybrid fremdriftsdemonstrationer er i gang efter opsendelsen af ​​Nucleus-sonderaketten i Norge, som med succes nåede rummet ved at nå en endelig højde på over 100 km. Se de fulde videoer her.

Materialer og processer

FLPP har valideret alternative materialer for at gøre raketter lettere. Nye kompositmaterialer bliver brugt til at erstatte aluminium til lettere øvre trinstrukturer og brændstoftanke, samt til raketbeklædninger, der beskytter nyttelasterne på vej til rummet.

Nye isoleringsmaterialer og sprøjtesystemer til raketbeklædning vil også tilbyde en mere jævn og rolig tur til rummet.

Polyurethanskummateriale med lukkede celler sprøjtes på som ekstern tankisolering til kryogene øvre faser, og en ny løsning til tankskotter er i øjeblikket under udvikling.

Sekundære raketstrukturer kan drage fordel af forbedrede fremstillingsprocesser såsom kunstig intelligens og maskinlæring, eller avanceret fremstilling af additivlag til brudkritiske strukturelle dele bygget i titanium, højstyrke aluminiumslegering og polymer.

Genanvendelighed

FLPP arbejder også på genanvendelighed af løfteraketter med de første skridt hen imod demonstration under flyvningen af ​​en prototype genanvendelig raket første fase kaldet Themis fra 2023. Themis-projektet vil give værdifuld information om den økonomiske værdi af genanvendelighed for Europa og bevise et udvalg af teknologierne modnes inden for FLPP til potentiel brug på fremtidige europæiske løfteraketter.

A successful drop test proved some of the technologies for a reusable first stage of a microlauncher.

Wind tunnel testing and computational fluid dynamics are providing insights into European capabilities to control the descent of a rocket's first stage, back to the ground.

Ud over, an ongoing project featuring a 'flying testbed platform' capable of carrying payloads has performed short take-off and landing test flights.

Structures and mechanisms

Various new production methods are improving manufacturing efficiency, for eksempel, a "Flow forming' technique shapes a metal element in a single step. This has been demonstrated in manufacturing trials co-funded between ESA and NASA Langley.

This technique reduces weld seams making rocket structures stronger and lighter while speeding up production. It is also better for the environment because it saves energy and there is no waste material. A 3 m-diameter aluminum demonstration cylinder that would be used as an interstage was successfully manufactured and tested.

FLPP is investigating electro-mechanical actuators for smoother separation and jettisoning of launcher payloads that would also slash costs for future evolutions of European launch vehicles, as well as advanced low-cost actuation systems for launchers control.

Health Monitoring systems embed sensors in the structural parts in order to monitor the launcher environment for further optimisation.

Avionics and GNC

Technologies in this domain evolve rapidly. Focus is given on increasing automation to reduce the level of Guidance Navigation Control (GNC) effort required during a mission and to provide responsive launch capability. FLPP is currently investigating On-Board Real-Time Trajectory Guidance Optimisation technology for future reusable launchers.

A new low-cost avionic system heavily benefiting from COTS components and rapid and effective GNC design, verification and validation will be demonstrated with a sounding rocket launch later this year. This will also serve as a useful testing platform to address new technologies in the launcher domain.

Future wireless communication will reduce the need for wiring on launch vehicle structures and increase flexibility.

Future systems and missions

Future systems and missions are intrinsically complex, with some needing long development cycles of up to a decade. ESA therefore seeks early insights into long-term trends and potential evolutions through its New European Space Transportation Solutions (NESTS) initiative. In this context a number of space transportation service and vehicle studies are contracted in open competition with industry, to prepare solutions for the next decade.

Shifting to space logistics, space transportation beyond Low Earth orbit towards higher energy orbits, to the Moon and Mars will require extended capabilities from Ariane 6 and future rockets to deliver end-to-end transportation service. Space Logistics approach of transportation service includes for example extended kick stage concepts to deliver end-to end service beyond access to space alone. Interface with ESA's Directorate of Human and Robotic Exploration for exploration missions will identify future space transportation needs for a post International Space Station vision.