El Programa Preparatorio de Lanzadores del Futuro ( FLPP ) es un programa de desarrollo y maduración de tecnología de la Agencia Espacial Europea (ESA). Desarrolla tecnologías para la aplicación en futuros vehículos de lanzamiento europeos (lanzadores) y en actualizaciones de los vehículos de lanzamiento existentes. De esta manera ayuda a reducir el tiempo, el riesgo y el coste de los programas de desarrollo de lanzadores.
Iniciado en 2004, el objetivo inicial del programa era desarrollar tecnologías para el Lanzador de Próxima Generación (NGL) que seguiría al Ariane 5. Con el inicio del proyecto Ariane 6 , el foco del FLPP se trasladó al desarrollo general de nuevas tecnologías para lanzadores europeos.
El FLPP desarrolla y madura tecnologías que se consideran prometedoras para aplicaciones futuras pero que actualmente no tienen un nivel de preparación tecnológica (TRL) suficientemente alto como para permitir una evaluación clara de su rendimiento y el riesgo asociado. Esas tecnologías suelen tener un TRL inicial de 3 o menos. El objetivo es elevar el TRL hasta aproximadamente 6, creando así soluciones que se prueben en condiciones relevantes y se puedan integrar en programas de desarrollo con un coste reducido y un riesgo limitado. [1]
Los principales objetivos del FLPP son:
El FLPP aborda el problema de que, en muchos casos, las tecnologías nuevas y prometedoras para futuras aplicaciones de lanzadores poseen un TRL bajo. En esta etapa, la implementación de dicha tecnología en un programa de desarrollo plantea un riesgo significativo. Si resulta que la tecnología no funciona como se esperaba en las etapas posteriores del desarrollo o el concepto que utiliza esa tecnología no es viable, un rediseño del sistema completo a menudo tiene graves impactos en el tiempo, la calidad y el costo. [1]
El FLPP aborda esta cuestión mediante un enfoque impulsado por el sistema. Con base en estudios de sistemas para futuros sistemas de lanzamiento o actualizaciones de los sistemas actuales, se seleccionan tecnologías prometedoras, que proporcionarán beneficios en línea con los objetivos del FLPP y tienen un TRL bajo (normalmente 2-3). Luego, estas tecnologías se desarrollan para alcanzar un TRL lo suficientemente alto (al menos 5, normalmente 6) para permitir su implementación en programas de desarrollo actuales o futuros con riesgos en gran medida reducidos. Como la maduración de la tecnología ya se ha realizado en el FLPP, el lapso de tiempo necesario para desarrollar un nuevo lanzador también se reduce significativamente. [1]
El enfoque para madurar una tecnología en un demostrador basado en estudios de sistemas reduce en gran medida el impacto de un rendimiento peor que el previsto (por ejemplo, en peso, eficiencia, complejidad) en comparación con el desarrollo de un lanzador, donde a menudo una gran parte del diseño del lanzador se ve afectado por un cambio en las características de un subsistema. Después de esta fase de maduración de "alto riesgo", la tecnología puede transferirse al desarrollo de un lanzador. Es mucho menos probable que se produzca un cambio importante en las características previstas de una tecnología durante el curso de un desarrollo cuando ya se comienza con un TRL alto (es decir, TRL 6) en comparación con una tecnología de baja preparación. [1]
Para aumentar el nivel de preparación de una tecnología a 6, es necesario probar una tecnología en un modelo o prototipo en un entorno relevante. Para realizar esto de manera rentable, se integran una o varias tecnologías en un demostrador y se prueban en un entorno relevante, teniendo en cuenta parámetros como los medios, las presiones y las temperaturas.
Estos demostradores se basan en requisitos derivados de los sistemas de lanzamiento actuales o futuros, así como en la experiencia general. Los requisitos se adaptan para que sean representativos de un sistema de lanzamiento y brinden la posibilidad de probar el rendimiento máximo alcanzable de las tecnologías integradas, así como los márgenes de seguridad.
Los demostradores suelen representar un subsistema del lanzador completo, por ejemplo, un tanque, una estructura de etapa o un motor. [1]
Los proyectos que lleva a cabo FLPP dependen en gran medida de la colaboración con socios externos. Como el aumento del TRL que se persigue está vinculado a la posterior aplicación de la tecnología, estos socios suelen ser industriales. Si se considera beneficioso, también se elegirán socios institucionales o subcontratistas.
El FLPP es un programa de desarrollo de la Dirección de Lanzadores de la ESA.
El FLPP está financiado por los Estados miembros de la ESA de forma opcional. Los Estados participantes firman su contribución al FLPP durante el Consejo Ministerial de la ESA.
Cronológicamente, el FLPP está estructurado en períodos sucesivos, que suelen corresponderse con el tiempo transcurrido entre los consejos ministeriales. Para mantener la continuidad del trabajo, estos períodos se superponen. [2]
El FLPP se inició en febrero de 2004 [3] con la adhesión a su declaración por parte de 10 estados miembros de la ESA.
El primer período se centró en los estudios de futuros vehículos de lanzamiento reutilizables (RLV). Se investigaron varios conceptos de RLV diferentes para seleccionar opciones viables y rentables. Además, se investigaron mejoras para reducir el costo de los lanzadores existentes. [1]
Durante este período, se continuó trabajando en conceptos de lanzamiento reutilizables y descartables con estudios de sistemas en varias configuraciones de lanzadores prometedoras. Además, se integraron tecnologías clave para lanzadores futuros a los demostradores para aumentar su TRL lo suficiente como para una integración eficiente en el desarrollo de un lanzador. Un importante proyecto de demostrador iniciado en este período fue el Vehículo experimental intermedio (IXV). Además, el desarrollo del motor Vinci de la etapa superior del lanzador fue financiado y administrado por el programa FLPP durante este tiempo. [1]
En la segunda etapa del período 2 se completaron los estudios del sistema de lanzadores desechables. Se continuaron las actividades de desarrollo de tecnología, especialmente en las tecnologías de etapa superior y de reentrada, así como en la propulsión. Mientras el motor Vinci se transfirió al desarrollo del Ariane 5 ME, se inició un proyecto de demostración para un motor de primera etapa de alto empuje llamado Score-D. Además, se creó un proyecto de demostración para un motor de etapa superior que utiliza propulsores almacenables. En la última parte de esta fase se inició un proyecto de demostración de ciclo de expansión criogénico. [1]
Se iniciaron múltiples proyectos de desarrollo de tecnología y de demostración relacionados con una amplia gama de tecnologías prometedoras. Se trataba de estructuras de etapa e interetapa, tanques, aviónica, así como propulsión híbrida y sólida.
El período 3 se inició en 2013 y se superpone con el período FLPP NEO (Nuevas oportunidades económicas), iniciado en 2016. Con el inicio de un proyecto dedicado a Ariane 6, FLPP amplió su alcance desde la preparación de tecnologías para un lanzador específico de próxima generación hasta la identificación general y maduración de tecnologías prometedoras para futuros lanzadores, así como actualizaciones de los vehículos de lanzamiento actuales. El proceso de identificación y maduración de tecnologías clave todavía está impulsado por el sistema y se basa principalmente en estudios de sistemas y demostradores integrados. Un objetivo importante es fomentar sinergias entre diferentes aplicaciones y lanzadores (por ejemplo, Ariane y Vega ). FLPP NEO continúa el enfoque tecnológico de los períodos anteriores con énfasis en demostradores emblemáticos y conceptos de lanzadores de muy bajo costo. [1]
FLPP consta de múltiples proyectos de desarrollo tecnológico coordinados.
En esta sección se enumeran proyectos pasados destacados del FLPP. Esta lista incluye solo algunos proyectos importantes y no es exhaustiva.
Los estudios del sistema NGL-ELV se realizaron para identificar configuraciones prometedoras para un lanzador de próxima generación que siga al Ariane 5 , así como tecnologías que deberían integrarse en este lanzador, para lograr alta confiabilidad, alto rendimiento y eficiencia de costos. Si las tecnologías identificadas no tenían un TRL suficiente para una integración eficiente en un programa de desarrollo de lanzadores, podrían entonces madurarse dentro del FLPP.
El proyecto SCORE-D (Staged Combustion Rocket Engine Demonstrator) fue un proyecto para desarrollar tecnologías y herramientas clave para el motor de alto empuje (HTE) que se planeó para impulsar el lanzador de próxima generación. Como combinaciones de propulsores se consideraron oxígeno líquido/hidrógeno y oxígeno líquido/metano. Se realizaron varias pruebas a escala inferior en la preparación del proyecto de demostración.
Como la propulsión sólida fue seleccionada inicialmente como base para la primera etapa de Ariane 6, el proyecto se detuvo en la etapa de un SRR.
El desarrollo del motor criogénico de etapa superior reencencible Vinci fue financiado y gestionado por FLPP desde 2006 hasta 2008.
Vinci fue concebido como el motor para la nueva etapa superior del Ariane 5, el ESC-B (Etage Supérieur Cryotechnique B/Cryogenic Upper Stage B). Se trata de un motor de ciclo expansor reencencible, alimentado por oxígeno líquido e hidrógeno líquido.
Tras el fallido primer vuelo de su predecesor ESC-A (V-157) en 2002, se detuvo el desarrollo del ESC-B, pero se continuó con el desarrollo de Vinci y más tarde se transfirió a FLPP. En FLPP la tecnología se maduró y se probó exhaustivamente. A finales de 2008, Vinci se transfirió al Ariane 5 ME y, tras la interrupción de ese programa, al Ariane 6.
El vehículo experimental intermedio (IXV) es un demostrador de reentrada para probar tecnologías para lanzadores y naves espaciales reutilizables. El enfoque principal de este proyecto se centra en la protección térmica, así como en la mecánica y el control del vuelo. Fue lanzado por un cohete Vega en febrero de 2015. La reentrada se controló mediante dos flaps móviles, antes del despliegue de paracaídas y un amerizaje en el océano.
En esta sección se enumeran los proyectos actuales más destacados de FLPP. Como FLPP gestiona una multitud de proyectos en los principales dominios de "Propulsión", "Sistemas y tecnologías" y "Aviónica y electrónica", la siguiente lista incluye solo algunos proyectos importantes y no es exhaustiva. [1]
El Demostrador Integrado de Tecnología de Ciclo Expandidor (ETID) se basa en un concepto avanzado de motor de etapa superior parcialmente derivado de la tecnología Vinci. Incorporará varias tecnologías nuevas para mejorar el rendimiento del motor (especialmente empuje/peso) y reducir el costo por unidad. Algunas de esas tecnologías también podrían ser beneficiosas para actividades fuera del sector de la propulsión. [4] A partir de 2016, el proyecto se encuentra en la fase de diseño y fabricación. [5]
El demostrador de tecnología de propulsión almacenable ayudará a desarrollar tecnologías para un motor de cohete en el rango de empuje entre 3 y 8 kN. La tecnología desarrollada en este proyecto podría utilizarse en etapas superiores de lanzadores pequeños o en aplicaciones con requisitos de empuje similares. El demostrador utiliza tecnologías novedosas de refrigeración, inyección y amortiguación. [4] A partir de 2016, el demostrador ha realizado con éxito dos campañas de prueba, realizando igniciones a nivel del suelo y en vacío. Se probó el comportamiento en estado estacionario en una amplia gama de puntos de operación y durante duraciones de hasta 110 s. Además, se probaron la estabilidad de la combustión y las variaciones de longitud de la cámara de empuje. [5]
Los esfuerzos actuales en materia de propulsión sólida se centran en el desarrollo de tecnologías para las carcasas de los motores futuros y en la investigación de la física de los motores de cohetes sólidos, especialmente las oscilaciones de presión. Ambos objetivos se persiguen mediante demostradores. El “Demostrador experimental de oscilación de presión” (POD-X) está dedicado a la investigación de la física de la combustión y ya ha realizado una prueba de encendido, que ha proporcionado información valiosa sobre los procesos de combustión de la propulsión sólida. [4] La “Carcasa de motor de cohete optimizada reforzada con fibra” (FORC) está dedicada al desarrollo del bobinado de fibra seca combinado con la colocación automatizada de fibra seca y la posterior tecnología de infusión de resina para la fabricación de carcasas de motor de cohete sólido de polímero reforzado con fibra de carbono de gran tamaño, incluida la producción de un artículo de prueba representativo a escala real con un diámetro exterior de 3,5 metros. A fecha de septiembre de 2016, ya se han producido múltiples muestras a escala inferior durante el desarrollo del proceso para FORC. Además, el artículo de prueba se encuentra en la fase de fabricación, con pruebas exhaustivas de carga mecánica y presión programadas antes de fin de año. [5]
Las actividades de propulsión híbrida en el marco del FLPP se centran en un proyecto de demostración en colaboración con Nammo . Este demostrador, que tiene dimensiones adecuadas para futuras aplicaciones de vuelo, ha realizado una campaña de pruebas de fuego en caliente a partir de septiembre de 2016. Se está llevando a cabo una segunda campaña de pruebas que dará lugar a un diseño que se prevé que se ponga en vuelo en un demostrador de cohetes de sondeo. [5]
El demostrador de tanque criogénico es una serie de demostradores que se utilizarán para desarrollar y probar tecnologías para futuros sistemas de tanques criogénicos livianos. A partir de septiembre de 2016, se fabricó y probó un demostrador a escala reducida y actualmente se encuentra en fase de diseño una versión a escala real. Los demostradores también se pueden utilizar como plataforma de prueba para otros equipos de tanques y estructuras adyacentes. [6]
FLPP está desarrollando tecnologías de fabricación aditiva por capas
(también conocidas como impresión 3D) para su aplicación en vehículos de lanzamiento. Estas tecnologías tienen como objetivo proporcionar medios más rápidos y económicos de producción a pequeña escala, así como posibilidades de diseño adicionales, que conduzcan a estructuras más ligeras y eficientes.
Además de la aplicación de la fabricación aditiva en varios otros proyectos, se inició un proyecto específico para madurar la tecnología y desarrollar aplicaciones para futuros lanzadores. [6]
Existen varios proyectos dentro de FLPP para tecnologías avanzadas que permitan producir una amplia gama de estructuras a partir de polímeros reforzados con fibra de carbono (CFRP). Estas estructuras abarcan desde líneas de alimentación criogénica y tanques criogénicos hasta estructuras de etapas superiores y estructuras entre etapas. [6]
En el marco de FLPP se están desarrollando varias tecnologías futuras relacionadas con los carenados, entre ellas una membrana para sellar el interior del carenado desde el exterior a fin de mantener las condiciones ambientales y la limpieza en el nivel deseado, y tecnologías para minimizar los impactos durante la separación del carenado. [6]
La cápsula de observación de la desorbitación proporcionará datos detallados sobre la desintegración de las etapas superiores del lanzador durante el reingreso a la atmósfera. Esto ayudará a diseñar futuras etapas para maniobras de desorbitación seguras y eficientes.
Para recopilar estos datos, la cápsula se lanzará desde un lanzador y, después de la separación de la etapa en cuestión, observará el comportamiento y la desintegración de esa etapa durante el reingreso. [6]
El alcance de esta actividad es analizar las necesidades, verificar la viabilidad y proporcionar una definición preliminar de un módulo orbital propulsor (APMAS), basado en un sistema dispensador de carga útil múltiple existente, para mejorar la misión y el rendimiento de las etapas superiores de los vehículos de lanzamiento existentes, tanto para Vega como para Ariane 6. [6]
El objetivo de este proyecto es desarrollar un modelo estructural y térmico para un anillo adaptador de carga útil secundaria para cargas útiles de hasta 30 kg. Esto podría ayudar a maximizar la masa de carga útil para los lanzadores Vega, Ariane 6 y Soyuz. [6]
El proyecto de diseño para la desaparición (D4D) investiga los procesos que sufren los componentes del vehículo de lanzamiento durante el reingreso. Se centra especialmente en el comportamiento de fragmentación de componentes como etapas agotadas, propulsores, carenados o adaptadores de carga útil. El objetivo es comprender mejor el comportamiento mediante simulaciones numéricas, la creación de bases de datos de materiales y pruebas de plasma en túneles de viento. Los hallazgos contribuyen a reducir el riesgo de impacto de escombros en el suelo, de conformidad con los requisitos de mitigación de escombros de la ESA. [6]
La tecnología Power over Ethernet permite combinar la transmisión de potencia y señal en el mismo cable y tiene el potencial de ahorrar masa y costes, así como de reducir la complejidad operativa de la telemetría del lanzador. Actualmente se está desarrollando un proyecto para definir una arquitectura modular de telemetría del lanzador basada en esta tecnología. Su objetivo es utilizar componentes disponibles comercialmente para reducir los costes y el tiempo de desarrollo. En el futuro, el sistema podría integrarse en un demostrador de aviónica más grande y alimentar otros subsistemas en el bus de aviónica. [7]
El banco de pruebas de aviónica avanzada cuenta con varias tecnologías innovadoras, como detección de fallas en el arnés, alimentación a través de Ethernet, sistemas de telemetría optoelectrónica y módulos de sensores de rejilla de Bragg de fibra que permiten la conexión de múltiples sensores a través de una sola fibra. Se prevén demostraciones en tierra y en vuelo. [7]
El Space RIDER es un avión espacial orbital no tripulado planificado en desarrollo cuyo objetivo es proporcionar a la Agencia Espacial Europea (ESA) un acceso asequible y rutinario al espacio. [8] El desarrollo de Space RIDER está siendo liderado por el programa italiano PRIDE para la ESA, y hereda la tecnología del Vehículo eXperimental Intermedio (IXV). [9] Se lanzará a bordo de un cohete Vega-C desde la Guayana Francesa en 2023, [10] y aterrizará en una pista en la isla de Santa María , en las Azores . [11]
Como programa de desarrollo de tecnología para futuros lanzadores y actualizaciones de lanzadores existentes, existe una estrecha coordinación entre el FLPP y los programas de desarrollo de lanzadores para Ariane y Vega . Muchas de las tecnologías desarrolladas en el FLPP sirven de base para las configuraciones de Ariane 6 y Vega C.