ESA waarborgt Europa's gegarandeerde toegang tot de ruimte via haar Future Launchers Preparatory Programme, FLPP.

FLPP houdt toezicht op systeemstudies en onderzoeksactiviteiten om nieuwe en ontwrichtende technologieën te stimuleren die de kosten kunnen verlagen, prestatie verbeteren, betrouwbaarheid verbeteren, of op hun vermogen om te voldoen aan de specifieke behoeften van een geïdentificeerde dienst, systeem, demonstrator of missie.

Binnen FLPP, demonstranten en studies scherpen opkomende technologieën aan om Europa's ruimtevaart een waardevolle voorsprong te geven bij het begin van het veeleisende werk om het gekozen ontwerp in realiteit om te zetten.

Geïntegreerde demonstrators worden gebouwd door meerdere technologieën in één systeem of subsysteem te combineren, zodat de industrie de technologie met vertrouwen kan gebruiken.

FLPP voert projecten uit op het gebied van voortstuwing, materialen en processen, herbruikbaarheid, structuren en mechanismen, avionica en navigatiebesturing (GNC), en toekomstige end-to-end systemen en missies.

Van lab tot lancering

Een gestandaardiseerde schaal van "Technology Readiness Levels" of TRL beschrijft het volwassenheidsniveau van een technologie. Niveaus 1–2 duiden fundamenteel onderzoek aan.

Technologieën die zijn aangetoond in een laboratoriumomgeving op niveau 3, worden binnen FLPP verder ontwikkeld en in de praktijk getest, tijdens de vlucht of in de ruimte via geïntegreerde demonstrators om ze te verhogen tot TRL 6.

Zodra een technologie niveau 6 heeft bereikt, een groot deel van het risico dat verbonden is aan het gebruik van een nieuwe technologie in een ruimteomgeving is beperkt. Het kan snel worden opgenomen in een operationeel systeem (TRL 9) met geoptimaliseerde kosten en planning.

Deze aanpak heeft drie belangrijke voordelen. Het biedt binnen een beperkt budget een pool van opties en upgrades voor snelle spin-offs die van toepassing zijn op bestaande draagraketten; het voert onderzoek en ontwikkeling met hoge toegevoegde waarde uit en waarborgt systeemintegratie en technologiecompetenties in Europa.

Toekomstige ruimtevervoersdiensten en -systemen worden beoordeeld op hun concurrentievermogen en economische levensvatbaarheid.

Het doel van ESA is om een ​​robuust en flexibel ruimtevaartecosysteem te ontwikkelen dat in de Europese behoeften voorziet. Om dit te behalen, ESA brengt haar verschillende programma's en business units samen, Europa's lanceringsserviceprovider, en industrie, zoals fabrikanten van ruimtevaartuigen en innovatieve startende bedrijven.

Voortstuwing

Prometheus is Europa's eerste ultra-low-cost herbruikbare raketmotordemonstrator aangedreven door vloeibaar methaan. Het zal op korte termijn ten goede komen aan Europa's nieuwe Ariane 6-draagraket en voorbereiden op een nieuwe generatie Europese draagraketten in het volgende decennium.

Dit is een motor van de klasse 1000 kN; verdere ontwikkeling zal dit binnenkort op 1200 kN brengen. Het is zeer veelzijdig en herontvlambaar, waardoor het geschikt is voor gebruik op kern, booster en bovenste trappen, herbruikbaar of niet. Het heeft tot doel de kosten te verlagen door een extreme ontwerp-naar-kostenbenadering, nieuwe drijfgas en innovatieve productietechnologieën.

Additieve laag-voor-laag productie van Prometheus maakt snellere productie mogelijk, met minder onderdelen. Vloeibare drijfgassen van zuurstof-methaan zijn zeer efficiënt en algemeen verkrijgbaar en daarom een ​​goede kandidaat voor een herbruikbare motor.

Eind 2021 zal in Frankrijk een grootschalige demonstrant worden afgevuurd om de eerste testcampagne van Prometheus in het DLR German Aerospace Centre in Lampoldshausen te verminderen. Duitsland, verwacht in 2022. Prometheus zal worden gebruikt op Themis (een herbruikbare eerste fase demonstrator ontwikkeld binnen FLPP) als onderdeel van een incrementele demonstratie van herbruikbaarheid aan boord eerst in Kiruna, Zweden in 2023, en dan in Kourou, Franse Giuana in 2025.

Een Prometheus-concept op basis van vloeibare waterstofbrandstof is ook in ontwikkeling om een ​​alternatief voor methaan te bieden en zou al in 2025 beschikbaar kunnen zijn voor gebruik op Ariane 6.

ETID, een Expander-cycle Technology Integrated Demonstrator, maakt de weg vrij voor de volgende generatie cryogene motoren voor de bovenste trap in Europa in de klasse van 10 ton.

Het testen van een grootschalige ETID-demonstrator bewees de nieuwste voortstuwingstechnologieën. De testresultaten werden volledig geanalyseerd, inclusief kruiscontroles om numerieke modellen te verbeteren, evenals de volledige inspectie van de geteste hardware.

Synergie tussen de Prometheus- en ETID-projecten heeft baanbrekende additieve productietechnieken voor verbrandingskamers opgeleverd die de kosten en de doorlooptijd verminderen.

Berta, een 5kN-stuwkrachtklasse, 3D-geprinte full-scale motordemonstrator voor bovenste trappen heeft tests uitgevoerd bij DLR Lampholdshausen. Het maakt gebruik van 'opslagbare drijfgassen, " worden zo genoemd omdat ze als vloeistof bij kamertemperatuur kunnen worden bewaard. Raketmotoren die op deze manier worden aangedreven, zijn gemakkelijk betrouwbaar en herhaaldelijk te ontsteken tijdens missies die vele maanden duren.

Voortbouwend op dit project en rekening houdend met de milieu-impact van de momenteel gebruikte opslagbare drijfgassen, er zijn onderzoeken gaande om tests voor te bereiden met geïdentificeerde nieuwe milieuvriendelijke drijfgascombinaties die bewaarbaar blijven maar veel minder toxisch zijn.

Verdere demonstraties van hybride voortstuwing zijn aan de gang na de lancering van de Nucleus-sonderingsraket in Noorwegen, die met succes de ruimte bereikte door een uiteindelijke hoogte van meer dan 100 km te bereiken. Bekijk hier de volledige video's.

Materialen en processen

FLPP heeft alternatieve materialen gevalideerd om raketten lichter te maken. Nieuwe composietmaterialen worden gebruikt om aluminium te vervangen voor lichtere constructies voor de bovenste trap en brandstoftanks, evenals voor raketstroomlijnkappen die de ladingen op hun weg naar de ruimte beschermen.

Nieuwe isolatiematerialen en afwerpsystemen voor raketstroomlijnkappen zullen ook een soepelere, stillere rit naar de ruimte bieden.

Als externe tankisolatie voor cryogene boventrappen wordt geslotencellig polyurethaanschuimmateriaal gespoten en momenteel wordt een nieuwe oplossing voor tankschotten ontwikkeld.

Secundaire raketstructuren zouden kunnen profiteren van verbeterde fabricageprocessen zoals kunstmatige intelligentie en machinaal leren, of geavanceerde productie van additieven voor breukkritische structurele onderdelen gebouwd in titanium, hoge sterkte aluminiumlegering en polymeer.

Herbruikbaarheid

FLPP werkt ook aan de herbruikbaarheid van draagraketten met de eerste stappen naar de demonstratie tijdens de vlucht van een prototype van een herbruikbare raket eerste trap genaamd Themis vanaf 2023. Het Themis-project zal waardevolle informatie opleveren over de economische waarde van herbruikbaarheid voor Europa en een selectie van de technologieën rijpten binnen FLPP voor mogelijk gebruik op toekomstige Europese draagraketten.

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.

In aanvulling, 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, bijvoorbeeld, 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.