L'ESA garantit l'accès de l'Europe à l'espace grâce à son programme préparatoire des futurs lanceurs, FLPP. Crédit :Agence spatiale européenne
L'ESA garantit l'accès de l'Europe à l'espace grâce à son programme préparatoire des futurs lanceurs, FLPP.
FLPP supervise les études de système et les activités de recherche pour favoriser les technologies nouvelles et perturbatrices qui ont le potentiel de réduire les coûts, améliorer les performances, améliorer la fiabilité, ou sur leur capacité à répondre aux besoins spécifiques d'un service identifié, système, démonstrateur ou mission.
Au sein du FLPP, les démonstrateurs et les études perfectionnent les technologies émergentes pour donner au transport spatial européen une longueur d'avance précieuse alors qu'ils commencent le travail exigeant de transformer la conception choisie en réalité.
Les démonstrateurs intégrés sont construits en combinant plusieurs technologies en un seul système ou sous-système afin que l'industrie puisse utiliser la technologie en toute confiance.
FLPP réalise des projets en propulsion, matériaux et procédés, réutilisabilité, structures et mécanismes, l'avionique et le guidage et le contrôle de navigation (GNC), et les futurs systèmes et missions de bout en bout.
Du labo au lancement
Une échelle standardisée de "Technology Readiness Levels" ou TRL décrit le niveau de maturité d'une technologie. Les niveaux 1 à 2 correspondent à la recherche fondamentale.
Technologies qui ont été démontrées dans un environnement de laboratoire au niveau 3, sont développés au sein du FLPP et testés sur le terrain, en vol ou dans l'espace via des démonstrateurs intégrés pour les élever à TRL 6.
Une fois qu'une technologie a atteint le niveau 6, une grande partie du risque lié à l'utilisation d'une nouvelle technologie dans un environnement spatial a été atténuée. Il peut être rapidement intégré dans un système opérationnel (TRL 9) avec un coût et un calendrier optimisés.
Cette approche présente trois avantages clés. Il offre dans un budget contenu un ensemble d'options et de mises à niveau pour des retombées rapides applicables aux lanceurs existants ; elle mène des activités de recherche et de développement à haute valeur ajoutée et garantit l'intégration de systèmes et les compétences technologiques en Europe.
Les futurs services et systèmes de transport spatial sont évalués en fonction de leur compétitivité et de leur viabilité économique.
L'objectif de l'ESA est de développer un écosystème de transport spatial robuste et flexible qui réponde aux besoins européens. Pour y parvenir, L'ESA regroupe ses différents programmes et business units, Le fournisseur de services de lancement en Europe, et l'industrie comme les fabricants d'engins spatiaux et les jeunes entreprises innovantes.
Propulsion
Prométhée, développé par l'ESA et ArianeGroup, est un démonstrateur de moteur-fusée réutilisable à très faible coût qui utilise des propulseurs oxygène-méthane liquide et a une poussée de 1000 kN. Crédit :ArianeGroup Holding
Prometheus est le premier démonstrateur européen de moteur-fusée réutilisable à très faible coût alimenté au méthane liquide. Il bénéficiera à court terme au nouveau lanceur européen Ariane 6 et préparera une nouvelle génération de lanceurs européens au cours de la prochaine décennie.
Il s'agit d'un moteur de classe 1000 kN; le développement ultérieur portera bientôt ce chiffre à 1200 kN. Il est très polyvalent et rallumable, le rendant approprié pour une utilisation sur le noyau, booster et étages supérieurs, réutilisable ou non. Il vise à réduire les coûts grâce à une approche extrême du design to cost, nouvelles technologies de fabrication de propulseurs et innovantes.
La fabrication additive couche par couche de Prometheus permet une production plus rapide, avec moins de pièces. Les propulseurs oxygène-méthane liquides sont très efficaces et largement disponibles et donc un bon candidat pour un moteur réutilisable.
Un démonstrateur grandeur nature sera tiré en France fin 2021 pour dé-risquer la première campagne d'essais de Prometheus au centre aérospatial allemand DLR à Lampoldshausen, Allemagne, prévu en 2022. Prometheus sera utilisé sur Themis (un premier démonstrateur réutilisable développé au sein du FLPP) dans le cadre d'une démonstration en vol incrémentielle de la réutilisabilité d'abord à Kiruna, La Suède en 2023, puis à Kourou, Giuana française en 2025.
Un concept Prometheus basé sur le carburant hydrogène liquide est également en développement pour fournir une alternative au méthane et pourrait être disponible pour une utilisation sur Ariane 6 dès 2025.
ETID, un démonstrateur intégré de technologie à cycle expanseur, ouvre la voie à la prochaine génération de moteurs cryogéniques de l'étage supérieur en Europe dans la classe des 10 tonnes.
Les tests d'un démonstrateur ETID grandeur nature ont prouvé les dernières technologies de propulsion. Les résultats des tests ont été entièrement analysés, y compris des contrôles croisés pour améliorer les modèles numériques ainsi que l'inspection complète du matériel testé.
La synergie entre les projets Prometheus et ETID a produit des techniques de fabrication additive révolutionnaires pour les chambres de combustion qui réduisent les coûts et les délais.
Berta, une classe de poussée de 5kN, Un démonstrateur de moteur grandeur nature imprimé en 3D pour les étages supérieurs a effectué des tests au DLR Lampholdshausen. Il utilise des « propergols stockables, " appelés ainsi parce qu'ils peuvent être stockés sous forme de liquides à température ambiante. Les moteurs de fusée qui sont alimentés de cette manière sont faciles à allumer de manière fiable et répétée lors de missions de plusieurs mois.
Dans la continuité de ce projet et compte tenu de l'impact environnemental des ergols stockables actuellement utilisés, des investigations sont en cours pour préparer des tests avec de nouvelles combinaisons de propergols identifiées et respectueuses de l'environnement qui restent stockables mais sont beaucoup moins toxiques.
D'autres démonstrations de propulsion hybride sont en cours après le lancement de la fusée-sonde Nucleus en Norvège, qui a réussi à atteindre l'espace en atteignant une altitude finale de plus de 100 km. Regardez les vidéos complètes ici.
Matériaux et procédés
MT Aerospace et ArianeGroup ont signé des contrats avec l'ESA le 14 mai 2019 pour développer Phoebus, un prototype d'étage supérieur noir hautement optimisé. Les étages supérieurs des fusées sont généralement fabriqués en aluminium, mais le passage aux composites de carbone réduit les coûts et pourrait générer une capacité de charge utile supplémentaire de deux tonnes. Crédit :ArianeGroup
FLPP a validé des matériaux alternatifs pour rendre les fusées plus légères. De nouveaux matériaux composites sont utilisés pour remplacer l'aluminium pour des structures d'étage supérieur et des réservoirs de carburant plus légers, ainsi que pour les carénages de fusée qui protègent les charges utiles en route vers l'espace.
De nouveaux matériaux d'isolation et des systèmes de largage pour les carénages de fusée offriront également une conduite plus douce et plus silencieuse dans l'espace.
Un matériau en mousse de polyuréthane à cellules fermées est pulvérisé comme isolant externe de réservoir pour les étages supérieurs cryogéniques et une nouvelle solution pour les cloisons de réservoir est actuellement en cours de développement.
Les structures de fusées secondaires pourraient bénéficier de processus de fabrication améliorés tels que l'intelligence artificielle et l'apprentissage automatique, ou la fabrication additive avancée de couches pour les pièces structurelles critiques à la rupture construites en titane, alliage d'aluminium à haute résistance et polymère.
Réutilisabilité
FLPP travaille également sur la réutilisabilité des lanceurs avec les premières étapes vers la démonstration en vol d'un prototype de premier étage de fusée réutilisable appelé Themis à partir de 2023. Le projet Themis fournira des informations précieuses sur la valeur économique de la réutilisabilité pour l'Europe et prouvera une sélection de les technologies ont mûri au sein du FLPP pour une utilisation potentielle sur les futurs lanceurs européens.
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.
En outre, 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, par exemple, 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.
ESA is taking the first steps towards the in-flight demonstration of a prototype reusable rocket first stage called Themis from 2023 onwards. The Themis programme will provide valuable information on the economic value of reusability for Europe and prove technologies for potential use on future European launch vehicles. Credit:CNES-REAL DREAM
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.
