ESA säkrar Europas garanterade tillgång till rymden genom sitt förberedande program för framtida lanseringar, FLPP.

FLPP övervakar systemstudier och forskningsaktiviteter för att främja ny och störande teknik som har potential att minska kostnaderna, Förbättra prestanda, förbättra tillförlitligheten, eller om deras förmåga att uppfylla de specifika behoven hos en identifierad tjänst, systemet, demonstrant eller uppdrag.

Inom FLPP, demonstranter och studier finslipar framväxande teknologier för att ge Europas rymdtransporter ett värdefullt försprång när de börjar det krävande arbetet med att omvandla den valda designen till verklighet.

Integrerade demonstratorer byggs genom att kombinera flera tekniker i ett system eller delsystem så att industrin kan använda tekniken med tillförsikt.

FLPP genomför projekt inom framdrivning, material och processer, återanvändbarhet, strukturer och mekanismer, flygelektronik och vägledningsnavigeringskontroll (GNC), och framtida end-to-end-system och uppdrag.

Från labb till lansering

En standardiserad skala för "Technology Readiness Levels" eller TRL beskriver mognadsnivån för en teknik. Nivå 1–2 betecknar grundforskning.

Teknik som har demonstrerats i laboratoriemiljö på nivå 3, är vidareutvecklade inom FLPP och testade på marken, under flygning eller i rymden via integrerade demonstratorer för att höja dem till TRL 6.

När en teknik har nått nivå 6, mycket av risken förknippad med att använda en ny teknik i en rymdmiljö har mildrats. Det kan snabbt integreras i ett operativt system (TRL 9) med optimerad kostnad och schema.

Detta tillvägagångssätt har tre viktiga fördelar. Den erbjuder inom en begränsad budget en pool av alternativ och uppgraderingar för snabba spin-offs som är tillämpliga på befintliga bärraketer; den bedriver forskning och utveckling med högt mervärde och säkerställer systemintegration och teknologisk kompetens i Europa.

Framtida rymdtransporttjänster och -system bedöms utifrån deras konkurrenskraft och ekonomiska bärkraft.

ESA:s mål är att utveckla ett robust och flexibelt ekosystem för rymdtransporter som tillgodoser europeiska behov. För att uppnå detta, ESA samlar sina olika program och affärsenheter, Europas leverantör av lanseringstjänster, och industri som rymdfarkoststillverkare och innovativa nystartade företag.

Framdrivning

Prometheus är Europas första ultralåga återanvändbara raketmotordemonstrator som drivs av flytande metan. Det kommer att gynna Europas nya bärraket Ariane 6 på kort sikt och förbereda för en ny generation av europeiska bärraketer under det kommande decenniet.

Detta är en 1000 kN klass motor; vidare utveckling kommer snart att ta upp detta till 1200 kN. Den är mycket mångsidig och återantändbar, gör den lämplig för användning på kärnan, booster och övre stadier, återanvändbar eller inte. Det syftar till att minska kostnaderna genom en extrem design-till-kostnad-strategi, nya drivmedel och innovativ tillverkningsteknik.

Additiv lager-för-lager-tillverkning av Prometheus möjliggör snabbare produktion, med färre delar. Flytande syre–metandrivmedel är mycket effektiva och allmänt tillgängliga och därför en bra kandidat för en återanvändbar motor.

En fullskalig demonstrator kommer att avfyras i Frankrike i slutet av 2021 för att riskera Prometheus första testkampanj vid DLR German Aerospace Center i Lampoldshausen, Tyskland, förväntas 2022. Prometheus kommer att användas på Themis (en återanvändbar förstastegsdemonstrator utvecklad inom FLPP) som en del av en inkrementell demonstration ombord på återanvändbarhet först i Kiruna, Sverige 2023, och sedan i Kourou, French Giuana 2025.

Ett Prometheus-koncept baserat på flytande vätebränsle är också under utveckling för att tillhandahålla ett alternativ till metan och kan vara tillgängligt för användning på Ariane 6 redan 2025.

ETID, en Expander-cycle Technology Integrated Demonstrator, banar väg för nästa generation av kryogena överstegsmotorer i Europa i 10-tonsklassen.

Testning av en fullskalig ETID-demonstrator bevisade den senaste framdrivningstekniken. Testresultaten analyserades fullständigt, inklusive korskontroller för att förbättra numeriska modeller samt fullständig inspektion av den testade hårdvaran.

Synergi mellan Prometheus- och ETID-projekten har gett spelförändrande additiv tillverkningsteknik för förbränningskammare som minskar kostnader och ledtid.

Berta, en 5kN-dragkraftsklass, 3D-printad fullskalig motordemonstrator för övre steg har utfört tester på DLR Lampholdshausen. Den använder "lagringsbara drivmedel, " kallas sådana eftersom de kan lagras som vätskor vid rumstemperatur. Raketmotorer som drivs på detta sätt är lätta att tända på ett tillförlitligt sätt och upprepade gånger vid uppdrag som varar i många månader.

Fortsätter från detta projekt och med tanke på miljöpåverkan från de för närvarande använda lagringsbara drivmedlen, undersökningar pågår för att förbereda tester med identifierade nya miljövänliga drivmedelskombinationer som förblir lagringsbara men är mycket mindre giftiga.

Ytterligare demonstrationer av hybridframdrivning pågår efter uppskjutningen av Nucleus-sondraketen i Norge, som framgångsrikt nådde rymden genom att nå en slutlig höjd på över 100 km. Se hela videorna här.

Material och processer

FLPP har validerat alternativa material för att göra raketer lättare. Nya kompositmaterial används för att ersätta aluminium för lättare överstegskonstruktioner och bränsletankar, samt för raketskydd som skyddar nyttolasten på väg till rymden.

Nya isoleringsmaterial och spridningssystem för raketskydd kommer också att erbjuda en mjukare och tystare resa till rymden.

Polyuretanskummaterial med slutna celler sprutas på som extern tankisolering för kryogena övre stadier och en ny lösning för tankskott utvecklas för närvarande.

Sekundära raketstrukturer kan dra nytta av förbättrade tillverkningsprocesser som artificiell intelligens och maskininlärning, eller avancerad tillverkning av tillsatsskikt för frakturkritiska strukturella delar byggda i titan, höghållfast aluminiumlegering och polymer.

Återanvändbarhet

FLPP arbetar också med återanvändbarhet av bärraketer med de första stegen mot demonstration under flygning av en prototyp för återanvändbar raket första steg kallad Themis från 2023. Themis-projektet kommer att ge värdefull information om det ekonomiska värdet av återanvändbarhet för Europa och bevisa ett urval av teknikerna mognade inom FLPP för potentiell användning på framtida europeiska bärraketer.

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.

Dessutom, 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, till exempel, 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.