La ESA protege el acceso garantizado de Europa al espacio a través de su Programa Preparatorio de Futuros Lanzadores, FLPP.

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 en su capacidad para satisfacer las necesidades específicas de un servicio identificado, sistema, demostrador o misión.

Dentro de FLPP, Los demostradores y 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, Control de navegación por aviónica y guiado (GNC), y futuras misiones y sistemas de extremo a extremo.

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.

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 el terreno, en vuelo o en el espacio a través de demostradores integrados para elevarlos a TRL 6.

Una vez que una tecnología ha alcanzado el nivel 6, gran parte del riesgo relacionado con el uso de una nueva tecnología en un entorno espacial se ha mitigado. Se puede incorporar 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. Lograr esto, La ESA reúne sus diversos programas y unidades de negocio, Proveedor de servicios de lanzamiento de Europa, e industrias como los fabricantes de naves espaciales y las empresas emergentes innovadoras.

Propulsión

Prometheus es el primer demostrador de motor cohete reutilizable de coste ultrabajo de Europa alimentado por 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 muy versátil y reignitable, lo que lo hace adecuado para su uso en el núcleo, etapas de refuerzo y superiores, reutilizable o no. Su objetivo es reducir los costos a través de un enfoque extremo de diseño a costo, nuevas tecnologías de fabricación de propulsantes e innovadoras.

La fabricación aditiva capa por capa de Prometheus permite una producción más rápida, con menos partes. 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.

Un demostrador a gran escala será despedido 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, previsto en 2022. Prometheus se utilizará en Themis (un demostrador de primera etapa reutilizable desarrollado dentro de FLPP) como parte de una demostración incremental en vuelo de la 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.

Las pruebas de un demostrador ETID a gran escala demostraron 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 5 kN de empuje, El demostrador de motores a gran escala impreso en 3D para las 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 encender 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 propulsantes ecológicas identificadas que se pueden almacenar pero son mucho menos tóxicas.

Se están realizando más demostraciones de propulsión híbrida tras el lanzamiento del cohete sonda Nucleus en Noruega, que alcanzó con éxito el espacio al alcanzar una altitud final de más de 100 km. Mira los videos completos aquí.

Materiales y procesos

FLPP ha estado validando materiales alternativos para hacer cohetes más livianos. Se están utilizando nuevos materiales compuestos para reemplazar el aluminio en las estructuras de la etapa superior y los tanques de combustible más ligeros. así como para carenados de cohetes que protegen las cargas útiles en su camino al espacio.

Los nuevos materiales de aislamiento y los sistemas de lanzamiento para los carenados de los cohetes también ofrecerán 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 la inteligencia artificial y el aprendizaje automático, o fabricación avanzada de capas de aditivos para piezas estructurales críticas para fracturas construidas en titanio, aleación y polímero de aluminio de alta resistencia.

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 maduraron dentro de FLPP para su uso potencial en futuros vehículos de lanzamiento europeos.

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.

Además, 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, por ejemplo, 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.