Les essais moteurs P120C d’ariane 6 et Vega-C sur le banc Banc d'essai des accélérateurs à poudre (BEAP)

Systèmes d'acquisition et de contrôle de données Dewesoft sur le banc d'essai Ariane 6 de l'ESA  pour les propulseurs à propergol solide de la fusée.

La poussée du PC120C est d'environ 4650 kN. Le tonnerre frappe la forêt tropicale ; le bruit est assourdissant. La profonde trempe rocheuse au pied de la tour de lancement est remplie avec force de gros nuages ​​de feu et de fumée. Les arbres le long des bords se balancent fortement. Il n'est tiré que pendant 130 secondes, mais la puissance du moteur de la fusée est écrasante.

Le P120C, le moteur testé mesure 13,5 mètres de longueur et 3,4 mètres de diamètre. Rempli de 142 tonnes de propergol solide, le moteur s'est enflammé et a produit un flot de flammes. Tout cela pour valider sa conception - pour surveiller, mesurer et documenter toutes les fonctions et pièces avec 600 paramètres - simulant le temps de combustion complet depuis le décollage et jusqu'à la première phase de vol.

Mis en scène au port spatial européen situé à environ 10 km au nord-ouest de Kourou en Guyane française, en Amérique du Sud. Le troisième essai du 7 octobre 2020, sur les installations du CNES (Centre National d’Etudes Spatiales) réussi, réalisé en configuration Ariane 6, ouvre la voie à sa qualification définitive par l’Agence spatiale européenne (ESA). Les deux premiers tests des 16 juillet 2018 et 28 janvier 2019 avaient eux aussi été couronnés de succès.

Le tir à chaud statique a été un succès - une étape de plus dans le programme spatial européen commun visant à garantir que plusieurs millions de charges utiles atteignent l'orbite de manière sûre et rentable - et les produits d'acquisition de données Dewesoft ont joué un rôle clé.

CLEMESSY ET DEWESOFT - LA SOLUTION DE TEST

Lors de la préparation du test, tous les principaux composants du moteur - tels que la coiffe, l'allumeur, le propulseur solide et le carter de moteur isolé - avaient déjà été testés séparément.

Cette cuisson statique est conçue pour prouver ces technologies, matériaux et techniques de production en combinaison et valider le comportement du moteur assemblé a noté l'ESA avant le test.

En 2015, le CNES, pour le compte de l'ESA, s'est donné pour mission d'améliorer le banc d'essai des fusées Ariane en remplaçant une acquisition de données analogiques par un conditionnement et une numérisation d'acquisition de données haut de gamme. Le fournisseur serait confronté au défi de s'interfacer avec le banc d'essai existant et de fournir un contrôle-commande de haute fiabilité.

Ce défi a été accepté par CLEMESSY en tant qu'intégrateur système, même avec un délai serré et un temps limité pour mener à bien le projet : la date du test de tir était fixée, quoi qu'il arrive, les équipes ont dû mettre l'acquisition de données et le contrôle-commande pleinement opérationnels pour le test.

CLEMESSY est une société française spécialisée dans l'ingénierie et la réalisation d'installations techniques industrielles. CLEMESSY, filiale d’EIFFAGE, devait livrer le système permettant de tester le booster sur le lancement d'Ariane et être en charge de la maintenance des installations.

Pour l'acquisition de données, CLEMESSY a sélectionné Dewesoft. Côté matériel, Syclone assure les interfaces avec l'opérateur, réalise le serveur, et le séquenceur temps réel, tandis que Dewesoft est interfacé avec le process. L'originalité est que les systèmes d'acquisition et de contrôle de données Dewesoft ne sont pas seulement utilisés comme acquisition de données mais servent également de données au système de contrôle Syclone en temps réel.

KOUROU - BASE DE LANCEMENT EUROPÉENNE

Le test a eu lieu en Guyane française, au Centre Spatial Guyanais (CSG) - la base de lancement européenne, qui est opérationnel depuis 1968. Cette région d'outre-mer de la taille du Portugal - 98% est couverte par la forêt tropicale humide - et a un peu plus de 250 000 habitants. L'industrie est centrée autour du port spatial et on estime que 15% de la population active est directement ou indirectement impliquée dans l'industrie spatiale.

 Géographiquement, cet emplacement répond aux deux exigences majeures d'un port spatial :

  • Il est près de l'équateur, ce qui signifie que moins d'énergie est nécessaire pour manœuvrer un vaisseau spatial sur une orbite géostationnaire équatoriale. Les roquettes peuvent être lancées en orbite avec une inclinaison aussi basse que ~ 6 °.

  • Il a une mer ouverte à l'est, ce qui signifie que les étages inférieurs de roquettes et de débris provenant d'échecs de lancement ne toucheront probablement pas les habitations humaines. Les fusées se lancent vers l'est pour profiter du moment cinétique fourni par la rotation de la Terre.

L’Agence Spatiale Européenne (ESA), le Centre National d’Etudes Spatiales (CNES) et des sociétés commerciales comme Arianespace effectuent des lancements depuis Kourou. Le port spatial a été utilisé par l'ESA pour envoyer des fournitures à la Station spatiale internationale. L'ESA contribue au deux tiers du budget annuel du port spatial et a également financé des mises à niveau effectuées lors du développement des lanceurs Ariane.

La vie quotidienne du CSG est gérée par le CNES. Le CNES fournit tout le support de portée nécessaire, demandé par Arianespace, pour la préparation et le lancement des engins spatiaux et des lanceurs. Les installations peuvent traiter plusieurs engins spatiaux de différents clients en même temps, avec de grandes salles blanches et des infrastructures de soutien. L'intégration et le lancement des engins spatiaux et des lanceurs s'effectuent à partir de sites de lancement dédiés à des projets spéciaux ; Ariane, Soyouz ou Vega.

 

ARIANE 6 – LE LANCEUR

Le test porte sur le projet du lanceur Ariane 6. L'objectif de l'ESA est d'assurer et de maintenir un accès indépendant à l'espace pour l'Europe. A partir de 1973, le programme de développement travaille avec le CNES en tant que maître d'œuvre. Le vol inaugural d'Ariane 1 a eu lieu le 24 décembre 1979.

L'ESA travaille avec un réseau industriel, dirigé par ArianeGroup, de plus de 600 entreprises dans 13 pays européens, dont 350 petites et moyennes entreprises, pour affiner la conception et démarrer la production. Parallèlement, le CNES prépare ses installations de lancement au CSG.


La mission globale est de créer un véhicule sans pilote, fiable et rentable qui offre un accès abordable à l'espace - un outil pour lancer des satellites pour les communications mobiles, la radiodiffusion télévisuelle, la météorologie, l'observation de la Terre et bien d'autres utilisations.

Le coût d'exploitation du système de lancement Ariane 6 est son principal moteur de développement. La conception finale d'Ariane 6 a été choisie en décembre 2014, privilégiant un noyau à combustible liquide avec de gros propulseurs de fusée solide par rapport à la conception initiale de la fusée à combustible solide. Ariane 6 remplacera Ariane 5 à moitié prix et permettra le double du nombre de lancements chaque année.

L'Ariane 6 se compose principalement de ces composants:

  • Un module de propulsion liquide inférieur équipé du moteur Vulcain 2.1;

  • Un module de propulsion liquide supérieur équipé du moteur Vinci;

  • Deux ou quatre booster avec moteur à propergol solide selon la configuration du lanceur: Ariane 62 ou Ariane 64;

  • Un carénage de charge utile;

  • Selon les exigences de la mission, une variété d'adaptateurs / distributeurs / structure de lancement double ou structures porteuses peut être utilisée;

  • Structures porteuses pour micro, mini satellites et nanosats.

Le moteur Vulcain 2.1 de l'Ariane 6 est construit avec moins de pièces tout en conservant une plus grande efficacité, tandis que l'étage supérieur Vinci amélioré permettra des destinations orbitales supplémentaires pour plus de flexibilité grâce à une capacité de rallumage plus large.

BEAP - BANC DE TEST

Contrairement à de nombreux tests de moteurs solides, ce tir a été effectué en position verticale sur le banc d'essai. L'installation de test est continuellement améliorée pour s'adapter à l'évolution des lanceurs européens. Le tout nouveau moteur P120C et le banc d'essai ont été équipés de capteurs pour recueillir des données sur plus de 600 paramètres, lors de la mis een place et durnat les 130 secondes de mise à feu.

Le banc d’essai des accélérateurs à poudre (BEAP) est le banc d'essai unique du Centre Spatial Guyanais. Depuis 1993, il teste les étages d'accélération à poudre (EAP) d'Ariane 5. Aucun n'était en fait destiné à décoller et l'installation est équipée de systèmes de sécurité pour empêcher un booster de se détacher du banc d'essai et de quitter le sol. Dans ce cas, de grandes lames ouvriraient son enveloppe, permettant au propulseur solide de brûler librement sans fournir de poussée.

BEAP permet de tester les boosters des lanceurs européens ARIANE 5, VEGA et des futurs ARIANE 6 pour s'assurer de leur bon fonctionnement. Le banc de test acquiert les mesures et contrôle la buse afin de vérifier le fonctionnement de l'électronique embarquée.

P120C - LE BOOSTER

Le P120C est conçu et construit par un consortium européen impliquant une joint-venture connue sous le nom d'Europropulsion, une entreprise entre ArianeGroup et Avio.

Le booster P120C a une poussée d'environ 1 million de livres. Il possède le plus grand boîtier de propulseur de fusée solide en composite de fibre de carbone monolithique au monde. L'habillage du moteur est en un seul composant conçu pour réduire le coût des charges utiles volantes.

Le booster est le premier étage du Vega-C, un nouveau lanceur développé par l'ESA, qui devrait faire ses débuts en 2020, augmentant les performances de Vega actuel de 1,5 t à environ 2,2 t sur une orbite polaire de référence de 700 km. Il fonctionnera également comme le propulseurs d'appoint pour la série Ariane 6 - deux ou quatre de ces boosters peuvent être fixés sur le lanceur Ariane 6 pour fournir la poussée nécessaire au décollage.

Le P120C, co-développé par ArianeGroup et Avio pour le compte de leur coentreprise 50/50 Europropulsion, se compose de deux parties principales. Le premier est l'habillage, construit par Avio, un groupe international engagé dans la construction et le développement de lanceurs spatiaux et de systèmes de propulsion solide et liquide pour les voyages dans l'espace. La coque est en fibre de carbone (feuilles polymère renforcé de fibres de carbone ).

La deuxième partie est la coiffe, construite par ArianeGroup et faite de divers matériaux composites, y compris carbone / carbone; il permet l'éjection à grande vitesse des gaz extrêmement chauds (3 000 ° C) générés par le moteur, créant ainsi une poussée en transformant l'énergie des gaz de combustion en énergie cinétique. La coiffe peut également pivoter, ce qui permet de piloter le lanceur. La coulée du propulseur et l'intégration finale du moteur sont réalisées en Guyane.

Alors que Vega-C continuera à se lancer à partir de la station actuelle de Vega à la base de lancementl, un nouveau complexe de rampes de lancement est en cours de construction pour l'Ariane 6, appelé ELA-4.

Pour une campagne de lancement, les étapes principales seront intégrées et préparées horizontalement dans le bâtiment d'assemblage du lanceur, à moins d'un mile de la zone de lancement. Le noyau central est ensuite déplacé vers le pas de tir et érigé verticalement dans le portique mobile. Là, les boosters, les charges utiles et le carénage sont ajoutés, avant que la structure mobile ne permette aux plates-formes d'accéder aux différents niveaux du pas de tir. Le portique est déplacé peu de temps avant le lancement.

On denombre maintenant trois essais réussis pour la qualification avant le premier vol de Vega-C en 2019 et celui d'Ariane 6 en 2021.

The booster - P120C

Longueur du moteur :

13.5 m

Diamètre :

3.4 m

Masse de propergol :

142 t

Poussée maxi :

4,650 kN

Masse à vide du propulseur :

11t

Impulsion spécifique:

278.5 s

Masse du corps de propulseur :

8.3 t

Durée de combustion :

130 s

Poussée maxi:

4,500 kN

   

SYCLONE - LE SYSTÈME DE CONTRÔLE DES ESSAIS

Le système désormais implémenté sur BEAP intègre SYCLONE by CLEMESSY (Syclone), un logiciel de contrôle-commande totalement évolutif fonctionnant comme une boîte à outils, qui permet de développer une solution personnalisée adaptée aux besoins et aux environnements. La structure logicielle combine les mondes de la supervision, du contrôle de processus en temps réel et du matériel physique.

Le système d'aide à la décision fournit aux opérateurs du Centre Spatial Guyanais un support cartographique des zones de danger lors d'opérations à risque telles que le lancement d'une fusée. L'objectif du système est d'analyser et de contre-vérifier les paramètres météorologiques et pyrotechniques sur une superficie de 2 200 km² et d'afficher des informations en temps réel pour jusqu'à 10 opérations dangereuses menées simultanément à des fins de coordination.

Au début du projet, des fonctionnalités avancées ont été demandées par le client final; un, pour voir le système global comme s'il s'agissait d'une seule unité de mesure, et deux, pour avoir un déclencheur croisé qui déclenche toutes les unités sur le même événement. Enfin, les exigences de cybersécurité sont très élevées et ont été traitées depuis le début du projet.

Lors du test de propulseurs ou de moteurs de  réacteurs, la singularité et la forte valeur ajoutée des unités testées, ainsi que les risques pyrotechniques élevés, nécessitent une sécurité et une fiabilité optimales du contrôle-commande pour un système qui doit pouvoir être utilisé pendant plusieurs décennies.

Dans ce cas, le produit testé est unique et a une valeur d'environ 50 M €. Le test ne peut pas échouer, il doit être juste pour la première fois - et naturellement, la sécurité des équipes impliquées est une préoccupation obligatoire.

Syclone doit assurer l'acquisition des données et la mesure en temps réel ainsi que contrôler et surveiller l'ensemble du processus de test des fusées. Les tests effectués peuvent nécessiter jusqu'à 1000 voies avec 64 à 200k échantillons par seconde.

Une fois traité, le frontal du lecteur transforme la trame réseau en un signal analogique. Imaginez un signal d'allumage. Toutes les 500 voies analogiques démarrent. Ces données sont acquises dans le logiciel d'acquisition de données à une vitesse très élevée jusqu'à 200 kHz par voie, entièrement synchronisées, et sont en même temps disponibles pour le système de contrôle avec moins de 500 microsecondes de latence y compris les retards de groupe sigma-delta.

Les données sont traitées dans le contrôleur afin de générer le cas de test préparé : Quelles sont les pressions du réservoir ? Quelle est la position de la tuyères ? Quelle est la prochaine étape de la séquence ? 400 microsecondes nécessaires.

Enfin, un retard est induit par le frontal du variateur. La conséquence est un temps de boucle de traitement de 1 ms sur un réseau d'environ 4 kilomètres. 1 ms de temps de traitement en boucle est important, mais il y a également d'autres caractéristiques clés à prendre en compte.

Pour répondre aux exigences de tests aussi impressionnants, le système de mesure et de surveillance en temps réel doit atteindre des niveaux de performance très élevés - en gardant à l'esprit que les données acquises sont directement utilisées pour entraîner la tuyère. Le banc de test atteint des vitesses élevées pour le traitement des boucles, même si l'équipement est réparti sur des kilomètres de réseaux. Le temps de boucle entre l'événement du capteur et l'action doit être d'environ 1 ms.

L'acquisition des données est interfacée avec les capteurs et les signaux sont acquis sur le système Dewesoft DAQ, SIRIUS et R8rt - les deux communiquent parfaitement via un réseau EtherCAT.

Grâce au bus EtherCAT intégré, les données sont collectées sur les réseaux et calculées dans le contrôleur en temps réel.

SIRIUS ET SBOX R8 - L'ACQUISITION DE DONNÉES

Les systèmes d'acquisition de données de Dewesoft ont été utilisés pendant le test. Ils font désormais partie intégrante du Banc d'essai des accélérateurs à poudre (BEAP) et l'agence spatiale française CNES (Centre National d'Etudes Spatiales) va équiper la rampe de lancement d'Ariane 6 d'un système d'acquisition de données SIRIUS à 800 voies d’entrées analogiques STG isolées en Racks 19 ”.

La solution comprend également le R8rt, qui offre une fonctionnalité unique et clé : le bus de données bi-mode. Les données analogiques à haute vitesse sont diffusées et enregistrées dans le superviseur d'acquisition de données et en même temps également envoyées au contrôleur en temps réel via le bus EtherCAT en temps réel et à faible latence.

Les R8rt sont des systèmes DAQ autonomes à grand nombre de voies avec une unité de contrôle de traitement de données intégrée, des capacités d'enregistrement de données SSD, conçus pour une portabilité maximale. Les systèmes peuvent être configurés avec jusqu'à huit tranches d'amplificateur SIRIUS DAQ pour un total de 128 entrées analogiques pour pratiquement n'importe quel capteur. Les systèmes DAQ R8rt comprennent un port esclave EtherCAT avec synchronisation intégrée pour la connexion et l'extension d'un système DAQ basé sur EtherCAT comme les modules SIRIUS ou KRYPTON.

Lors de l'acquisition de données, seuls les amplificateurs isolés SIRIUS STG et les modules de conditionnement de signaux sont utilisés. D'abord parce qu'il couvre une large gamme de capteurs à un très haut niveau de performance. Deuxièmement, avoir une approche modulaire sur les 16 bancs d'essais et n'avoir qu'une seule référence à manipuler lors de la phase de maintenance.

L'instrument SIRIUS - qui porte le nom de l'étoile la plus brillante du ciel, le Dog Star - est bien adapté à cette tâche. Il est doté de la technologie DualCoreADC® , qui résout les problèmes souvent rencontrés avec la mesure du signal - surcharge d'entrée, bruit et fréquences artificielles dans le signal causées par le repliement. Chaque amplificateur dispose de deux ADC qui mesurent toujours le gain haut et bas du signal d'entrée. Cela empêche le signal d'être écrêté et conserve les résultats dans toute la plage de mesure du capteur.
 

Avec cette technologie, SIRIUS atteint un rapport signal / bruit de plus de 130 dB et plus de 160 dB dans la plage dynamique - 20 fois mieux que les systèmes 24 bits et 20 fois moins de bruit.

L'instrument SIRIUS est également livré avec une isolation galvanique élevée voie à voie, voie à la masse (CAT II 1000 V avec des plages allant jusqu'à 1600 V), et comprend une excitation de capteur isolée. Une telle isolation permet de mesurer des potentiels de haute tension. Les mesures, telles que les vibrations, les températures ou toute autre mesure où des capteurs non isolés sont placés à côté d'un potentiel de haute tension par rapport à la masse du système DAQ, sont sûres.

 

Le matériel peut lire différents signaux tels que la tension, la contrainte, l'ICP/IEPE, la charge , le CAN, le compteur, l'encodeur et le numérique . Avec le logiciel Dewesoft X inclus, les données sont acquises et combinées à partir d'interfaces supplémentaires telles que GPS, FlexRay, Ethernet, Série, télémétrie PCM et bien d'autres. Bien que chaque source de données puisse avoir des fréquences d'échantillonnage différentes, les technologies de synchronisation et de synchronisation GPS garantissent que toutes les données sont parfaitement synchronisées.

Le système d'acquisition de données SIRIUS utilise une technologie brevetée appelée SUPERCOUNTER® dans chaque entrée de compteur / encodeur. Les entrées de compteur peuvent mesurer le régime et l'angle des machines tournantes. Les entrées Supercenter sont capables d'extraire des valeurs précises telles que 1,37, 1,87, 2,37, etc. entièrement synchronisées pour le temps et l'amplitude. Les entrées de compteur sont entièrement synchronisées avec les sources de données analogiques, CAN et autres, permettant même les applications les plus exigeantes.

AEROSPACE - LE FUTUR

Faire partie du projet ARIANE a été un processus étape par étape. En 2016, 16 voie  Dewesoft ont été qualifiés dans le cadre de SYCLONE by CLEMESSY - et par le test, en janvier 2019, jusqu'à 600 voiesDAQ ont été utilisés. Le CNES entend utiliser la même technologie pour Ariane 6 et notamment le test de mise à feu en Guyane française du moteur Vulcain 2.1.

En outre, des projets comparables sont traités dans le monde entier et pas seulement dans les tests de mise à feu des booster. Dewesoft et SYCLONE by CLEMESSY combinent le meilleur des deux mondes : une acquisition de données haut de gamme et des interfaces de contrôle avec des solutions logicielles de contrôle-commande efficaces et performantes. Le haut niveau de qualité exigé par  le Centre National d'Etudes Spatiales et plus généralement l'Agence Spatiale Européenne a augmenté la maturité et la robustesse des solutions Dewesoft et SYCLONE by CLEMESSY pour les grands bancs d'essais avec des centaines de voies.