L'ESA salvaguarda l'accesso garantito dell'Europa allo spazio attraverso il suo programma preparatorio per i futuri lanciatori, FLPP.

FLPP supervisiona gli studi di sistema e le attività di ricerca per promuovere tecnologie nuove e dirompenti che hanno il potenziale per ridurre i costi, migliorare la prestazione, migliorare l'affidabilità, o sulla loro capacità di soddisfare le esigenze specifiche di un servizio identificato, sistema, dimostratore o missione.

All'interno di FLPP, dimostratori e studi affinano le tecnologie emergenti per dare al trasporto spaziale europeo un prezioso vantaggio mentre iniziano l'impegnativo lavoro di trasformare il progetto scelto in realtà.

I dimostratori integrati sono costruiti combinando più tecnologie in un sistema o sottosistema in modo che l'industria possa utilizzare la tecnologia con fiducia.

FLPP realizza progetti di propulsione, materiali e processi, riutilizzabilità, strutture e meccanismi, avionica e controllo di navigazione di guida (GNC), e futuri sistemi e missioni end-to-end.

Dal laboratorio al lancio

Una scala standardizzata di "Technology Readiness Levels" o TRL descrive il livello di maturità di una tecnologia. I livelli 1-2 denotano la ricerca di base.

Tecnologie che sono state dimostrate in un ambiente di laboratorio al Livello 3, sono ulteriormente sviluppati all'interno di FLPP e testati sul campo, in volo o nello spazio tramite dimostratori integrati per elevarli a TRL 6.

Una volta che una tecnologia ha raggiunto il livello 6, gran parte del rischio legato all'utilizzo di una nuova tecnologia in un ambiente spaziale è stato mitigato. Può essere rapidamente incorporato in un sistema operativo (TRL 9) con costi e tempistiche ottimizzati.

Questo approccio ha tre vantaggi chiave. Offre all'interno di un budget contenuto un pool di opzioni e aggiornamenti per rapidi spin-off applicabili ai veicoli di lancio esistenti; svolge attività di ricerca e sviluppo ad alto valore aggiunto e tutela l'integrazione di sistema e le competenze tecnologiche in Europa.

I futuri servizi e sistemi di trasporto spaziale sono valutati in base alla loro competitività e redditività economica.

L'obiettivo dell'ESA è sviluppare un ecosistema di trasporto spaziale robusto e flessibile che soddisfi le esigenze europee. Per realizzare questo, ESA riunisce i suoi vari programmi e business unit, Fornitore di servizi di lancio in Europa, e l'industria come i produttori di veicoli spaziali e le start-up innovative.

Propulsione

Prometheus è il primo dimostratore europeo di motore a razzo riutilizzabile a bassissimo costo alimentato a metano liquido. Beneficerà del nuovo lanciatore europeo Ariane 6 nel breve termine e preparerà per una nuova generazione di veicoli di lancio europei nel prossimo decennio.

Questo è un motore di classe 1000 kN; un ulteriore sviluppo lo porterà presto a 1200 kN. È altamente versatile e riaccendibile, rendendolo adatto per l'uso su core, booster e stadi superiori, riutilizzabile o meno. Mira a tagliare i costi attraverso un approccio estremo design-to-cost, nuovi propellenti e tecnologie di produzione innovative.

La produzione additiva strato per strato di Prometheus consente una produzione più rapida, con meno parti. I propellenti liquidi ossigeno-metano sono altamente efficienti e ampiamente disponibili e quindi un buon candidato per un motore riutilizzabile.

Un dimostratore su vasta scala verrà licenziato in Francia alla fine del 2021 per ridurre i rischi della prima campagna di test di Prometheus presso il Centro aerospaziale tedesco DLR a Lampoldshausen, Germania, previsto nel 2022. Prometheus sarà utilizzato su Themis (un dimostratore di primo stadio riutilizzabile sviluppato all'interno di FLPP) come parte di una dimostrazione incrementale in volo della riutilizzabilità prima a Kiruna, Svezia nel 2023, e poi a Kourou, Giuana francese nel 2025.

È in fase di sviluppo anche un concetto Prometheus basato sul carburante a idrogeno liquido per fornire un'alternativa al metano e potrebbe essere disponibile per l'uso su Ariane 6 già nel 2025.

ETID, un dimostratore integrato della tecnologia del ciclo di espansione, apre la strada alla prossima generazione di motori criogenici a stadio superiore in Europa nella classe da 10 tonnellate.

Il test di un dimostratore ETID su vasta scala ha dimostrato le ultime tecnologie di propulsione. I risultati dei test sono stati completamente analizzati, inclusi controlli incrociati per migliorare i modelli numerici e l'ispezione completa dell'hardware testato.

La sinergia tra i progetti Prometheus ed ETID ha prodotto tecniche di produzione additiva rivoluzionarie per le camere di combustione che riducono i costi e i tempi di consegna.

Berta, una classe di spinta 5kN, Un dimostratore di motori in scala reale stampato in 3D per stadi superiori ha eseguito test presso DLR Lampholdshausen. Usa 'propellenti immagazzinabili, " chiamati così perché possono essere conservati come liquidi a temperatura ambiente. I motori a razzo alimentati in questo modo sono facili da accendere in modo affidabile e ripetuto durante missioni che durano molti mesi.

Proseguendo da questo progetto e considerando l'impatto ambientale dei propellenti stoccabili attualmente utilizzati, sono in corso indagini per preparare test con nuove combinazioni di propellenti ecocompatibili identificate che rimangono conservabili ma sono molto meno tossiche.

Ulteriori dimostrazioni di propulsione ibrida sono in corso dopo il lancio del razzo sonda Nucleus in Norvegia, che ha raggiunto con successo lo spazio raggiungendo un'altitudine finale di oltre 100 km. Guarda i video completi qui.

Materiali e processi

FLPP ha convalidato materiali alternativi per rendere i razzi più leggeri. Nuovi materiali compositi vengono utilizzati per sostituire l'alluminio per strutture più leggere dello stadio superiore e serbatoi di carburante, così come per le carenature dei razzi che proteggono i carichi utili nel loro viaggio nello spazio.

Nuovi materiali isolanti e sistemi di scarico per le carenature dei razzi offriranno anche una guida più fluida e silenziosa verso lo spazio.

Il materiale in schiuma di poliuretano a cellule chiuse viene spruzzato come isolamento esterno del serbatoio per gli stadi superiori criogenici ed è attualmente in fase di sviluppo una nuova soluzione per le paratie dei serbatoi.

Le strutture secondarie dei razzi potrebbero trarre vantaggio da processi di produzione migliorati come l'intelligenza artificiale e l'apprendimento automatico, o produzione avanzata di strati additivi per parti strutturali critiche per la frattura costruite in titanio, lega di alluminio e polimero ad alta resistenza.

Riutilizzabilità

FLPP sta anche lavorando sulla riutilizzabilità del veicolo di lancio con i primi passi verso la dimostrazione in volo di un prototipo di primo stadio di razzo riutilizzabile chiamato Themis dal 2023. Il progetto Themis fornirà preziose informazioni sul valore economico della riutilizzabilità per l'Europa e dimostrerà una selezione di le tecnologie maturate all'interno di FLPP per un potenziale utilizzo sui futuri veicoli di lancio europei.

Un test di caduta riuscito ha dimostrato alcune delle tecnologie per una prima fase riutilizzabile di un microlanciatore.

I test in galleria del vento e la fluidodinamica computazionale stanno fornendo approfondimenti sulle capacità europee di controllare la discesa del primo stadio di un razzo, back to the ground.

Inoltre, 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, ad esempio, 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.