Dewesoft è utilizzato sul banco prova europeo per testare il booster a propellente solido di grandi dimensioni

La spinta del booster è di circa 4650 kN. Un tuono attraversa la foresta pluviale, il rumore è assordante. La profonda insenatura rocciosa ai piedi della torre di lancio si riempie di grandi nubi infuocate. Gli alberi lungo i bordi ondeggiano pesantemente. Viene acceso per soli 135 secondi ma la potenza del motore a razzo è impressionante.

Il motore P120C misura 13.5 m di lunghezza e 3.4 m di diametro e corredato di 142 tonnellate di propellente solido. Il motore è stato acceso per convalidare il progetto - sono state monitorate, misurare e documentare tutte le funzioni e le parti analizzando più 600 parametri - simulando il tempo di combustione completo dal decollo e attraverso la prima fase del volo.

Il palcoscenico è lo Spaceport europeo situato a circa 10 km a nord-ovest di Kourou nella Guyana francese, in Sud America. Il 28 gennaio 2019, le strutture del CNES (National Space Agency francese) hanno acceso il secondo motore P120C a propellente solido, che verrà utilizzato per il lanciatore satellitare Vega-C alla fine di quest'anno e nel lanciatore satellitare Ariane 6 nel 2020.

L'accensione è stata un successo - un altro passo importante nel programma spaziale europeo per garantire che i carichi multi-milionari raggiungano l'orbita in modo sicuro ed economico - e l'acquisizione dei dati di Dewesoft ha avuto un ruolo chiave.

Clemessy e Dewesoft - la soluzione di test

Prima del test di accensione, tutti i componenti principali del motore - ugello, accenditore, propellente solido e involucro del motore isolato - erano già stati testati separatamente. "Questa accenzione statica è progettata per dimostrare la validità delle tecnologie, materiali e tecniche di produzione e convalidare il comportamento del motore assemblato", ha osservato l'ESA in attesa del test.

Nel 2015 il CNES, a nome dell'ESA, ha proposto di migliorare il banco di prova Ariane sostituendo un'acquisizione dati analogica con condizionamento di fascia alta e digitalizzazione dei segnali. Il fornitore avrebbe dovuto affrontare la sfida di interfacciarsi con il banco prova esistente e fornire una interfaccia di controllo ad alta affidabilità.

Questa sfida è stata accettata da CLEMESSY in qualità di integratore di sistema, anche con tempi molto stretti per completare il progetto: la data di accensione era stata fissata e il team avrebbe dovuto fornire un sistema di acquisizione dati e una interfaccia di controllo completamente funzionante in tempo, senza possibilità di dilazioni.

CLEMESSY è una società francese, sussidiaria di EIFFAGE, specializzata nella progettazione e realizzazione di impianti tecnici industriali, doveva fornire il sistema per testare il booster di lancio di Ariane, e avere responsabilità sull'installazione e la manutenzione degli impianti.

Per l'acquisizione dei dati CLEMESSY ha selezionato Dewesoft. Dal punto di vista hardware, Syclone assicura le interfacce con l'operatore, esegue il server e il sequencer in tempo reale, mentre Dewesoft è interfacciato con il processo fisico. L'originalità è che il sistema Dewesoft non è solo utilizzato come acquisizione dati, ma fornisce in parallelo anche dati al sistema di controllo Syclone in tempo reale.

KOUROU - LO SPAZIOPORTO EUROPEO

Il test ha avuto luogo nella Guiana francese, presso il Centro spaziale della Guiana (CSG) - lo spazioporto europeo, operativo dal 1968. Questa regione d'oltremare della Francia ha le dimensioni del Portogallo - il 98% è coperta dalla foresta pluviale tropicale - e ha poco più di 250.000 abitanti. L'industria è centrata attorno allo spazioporto e circa il 15% della popolazione attiva è direttamente o indirettamente coinvolta nell'industria spaziale.

Dal punto di vista geografico, questa location soddisfa due importanti criteri per uno spazioporto:

• È vicino all'equatore, il che significa che è necessaria meno energia per portare un'astronave in un'orbita equatoriale e geostazionaria. I razzi possono essere lanciati in orbita con un'inclinazione pari a ~ 6°

• Ha mare aperto ad est, il che significa che gli stadi inferiori dei razzi e detriti dovuti a fallimenti del lancio difficilmente colpiscono le abitazioni. I razzi vengono lanciati verso est per approfittare del momento angolare fornito dalla rotazione terrestre.

L'Agenzia Spaziale Europea (ESA), l'Agenzia Nazionale dello Spazio Francese (CNES) e le società commerciali come Arianespace conducono i lanci da Kourou. Lo spazioporto fu usato dall'ESA per inviare rifornimenti alla Stazione Spaziale Internazionale. L'ESA paga i due terzi del budget annuale dello spazioporto e ha anche finanziato gli aggiornamenti effettuati durante lo sviluppo dei lanciatori Ariane.

La vita quotidiana di CSG è gestita dal CNES. CNES fornisce tutto il supporto necessario per la gamma, richiesto da Arianespace, per la navicella spaziale e la preparazione e il lancio del veicolo di lancio. Le strutture possono elaborare contemporaneamente diversi veicoli spaziali di diversi clienti, con ampie stanze bianche e varie infrastrutture di supporto. L'integrazione di navicelle spaziali e lanciatori sono effettuati in siti dedicati; Ariane, Sojuz o Vega.

Ariane 6 - il lanciatore

Il test è tutto incentrato sul lanciatore di Ariane 6. L'obiettivo dell'ESA è garantire e mantenere un accesso indipendente allo spazio per l'Europa. A partire dal 1973, il programma di sviluppo sta lavorando con il CNES come primo contraente. Il primo volo di Ariane 1 ebbe luogo il 24 dicembre 1979.

L'ESA lavora con una rete industriale, guidata da ArianeGroup, di oltre 600 aziende in 13 paesi europei, tra cui 350 piccole e medie imprese, per perfezionare il design e avviare la produzione. Nel frattempo, il CNES sta preparando le sue strutture di lancio a CSG.

La missione nel complesso è quella di costruire un veicolo economico, affidabile, autonomo, che offra un accesso allo spazio, uno sistema per lanciare satelliti per la comunicazione mobile, la trasmissione televisiva, la meteorologia, l'osservazione della terra e altri usi.

Il basso costo operativo del sistema di lancio Ariane 6 è il suo principale motore di sviluppo. Il progetto finale di Ariane 6 è stato selezionato a dicembre 2014, favorendo un nucleo a combustibile liquido con grandi razzi a propellente solido rispetto al progetto iniziale di razzi a combustibile solido. Ariane 6 sostituirà Ariane 5 a metà del costo e consentirà il doppio del numero di lanci ogni anno.

Ariane 6 consiste principalmente delle seguenti parti:

• Un modulo inferiore di propulsione a liquido equipaggiato con il motore Vulcain 2.1;

• Un modulo superiore di propulsione a liquido equipaggiato con motore Vinci;

• Due o quattro razzi a propellente solido, a seconda della configurazione del veicolo: Ariane 62 o Ariane 64;

• Carenatura per carico utile;

• A seconda dei requisiti della missione, è possibile utilizzare una varietà di adattatori / dispensatori / struttura a doppio lancio o strutture portanti;

• Strutture portanti per micro, mini satelliti e nanosat.

Il motore Vulcain 2.1 di Ariane 6 è costruito con meno parti mantenendo una maggiore efficienza, mentre lo stadio superiore Vinci consentirà ulteriori destinazioni orbitali per una maggiore flessibilità grazie ad una più ampia capacità di riaccensione.

Beap - il banco prova

A differenza di molti test su motori a combustibile solido, questa accensione è stata condotta in posizione verticale sul banco prova. L'impianto di prova viene continuamente migliorato per adattarsi all'evoluzione del lanciatore europeo. Il nuovissimo razzo solido P120C e il banco di prova sono stati equipaggiati con sensori per raccogliere dati su oltre 600 parametri, montato il supporto e acceso per un test di 135 secondi.

Il Solid Booster Test Bench (BEAP) è l'esclusivo banco di prova del Guiana Space Center. Dal 1993, ha eseguito i test dei motori Ariane 5 Solid Booster Stage (EAP). La struttura è dotata di sistemi di sicurezza per evitare che il booster in test si liberi dal banco prova e lasci accidentalmente la Terra. Per evitare questo, sono state predisposte grandi lame che avrebbero tagliato i serbatoi, consentendo al propellente solido di bruciare liberamente senza fornire alcuna spinta.

BEAP è utilizzato per testare i booster di ARIANE 5 europeo, VEGA e i futuri lanciatori di ARIANE 6 per garantire il corretto funzionamento. Il banco prova acquisisce segnali e controlla l'ugello per verificare il funzionamento dell'elettronica di bordo.

P120C - il booster

Il P120C è progettato e costruito da un consorzio europeo che coinvolge una joint venture conosciuta come Europropulsion, un'impresa tra ArianeGroup e Avio (Italiana).

Il booster P120C ha una spinta di circa 5.000kg. Ha l'involucro monolitico di rinforzo in silicio e in fibra di carbonio più grande del mondo. Il rivestimento del motore è un singolo componente progettato per ridurre il costo dei carichi utili in volo.

Il booster è il primo stadio di Vega-C, un nuovo lanciatore sviluppato dall'ESA, che dovrebbe entrare in azione nel 2020, aumentando le prestazioni dagli attuali 1,5 t a 2,2 t di Vega in un'orbita polare di riferimento di 700 km. Funzionerà anche come booster per la serie Ariane 6: due o quattro di questi booster possono essere apposti al lanciatore Ariane 6 per fornire la spinta necessaria per il decollo.

Il P120C, sviluppato congiuntamente da ArianeGroup e Avio per conto della loro joint venture 50/50 Europropulsion, si compone di due parti principali. Il primo è l'involucro strutturale, costruito da Avio, un gruppo internazionale impegnato nella costruzione e nello sviluppo di lanciatori spaziali e sistemi di propulsione solidi e liquidi per i viaggi nello spazio. L'involucro è realizzato in fibra di carbonio (fogli epossidici pre-impregnati di tessuto avvolti a filo avvolto).

La seconda parte è l'ugello, costruito da ArianeGroup e realizzato con vari materiali compositi, tra cui carbonio/carbonio; consente l'espulsione ad alta velocità dei gas estremamente caldi (3.000 °C) generati dal motore, creando così una spinta trasformando l'energia del gas di combustione in energia cinetica. L'ugello può anche ruotare, il che consente di pilotare il lanciatore. La fusione del propellente e l'integrazione finale del motore vengono eseguite nella Guyana francese.

Mentre Vega-C continuerà a lanciare dall'attuale piattaforma Vega nello spazioporto, per Ariane 6 è in costruzione un nuovo complessa piattaforma di lancio, chiamata ELA-4.

Per una campagna di lancio, le fasi principali verranno integrate e preparate orizzontalmente nel Launcher Assembly Building, a meno di un miglio dalla zona di lancio. Il nucleo centrale viene quindi spostato sulla piattaforma ed eretto verticalmente nel portale mobile. Qui vengono aggiunti booster, payload e carenatura, prima che la struttura mobile consenta alle piattaforme di accedere ai diversi livelli sulla piattaforma. La gru viene spostata poco prima del lancio.

Seguiranno altri due lanci di prova per qualificare il motore a combustibile solido solido prima del primo volo di Vega-C nel 2019 e quello di Ariane 6 nel 2020.

Syclone - il sistema di controllo test

Il sistema ora implementato su BEAP integra SYCLONE BY CLEMESSY (Syclone), un software di controllo completamente scalabile progettata come un coltellino svizzero, che consente di sviluppare una soluzione personalizzata adatta alle esigenze e agli ambienti. La struttura del software combina il mondo della supervisione, del controllo dei processi in tempo reale e dell'hardware fisico.

Il Decision Support System fornisce agli operatori del Centro Spaziale della Guiana il supporto cartografico per le zone di pericolo durante operazioni rischiose come il lancio di un razzo. L'obiettivo del sistema è quello di analizzare e verificare i parametri meteorologici e pirotecnici su un'area di 2.200 km² e visualizzare le informazioni in tempo reale per un massimo di 10 operazioni pericolose condotte simultaneamente a fini di coordinamento.

Nella fase iniziale del progetto, sono state richieste funzionalità avanzate da parte del cliente finale; sia per vedere il sistema globale come se fosse una sola unità di misura, che per avere un cross trigger che fa acquisire tutte le unità sullo stesso evento. Infine, i requisiti di sicurezza informatica sono molto elevati e sono stati affrontati sin dall'inizio del progetto.

Quando si testano i booster o i motori di lancio, l'unicità e l'alto valore aggiunto delle unità testate, nonché gli alti rischi pirotecnici, richiedono una sicurezza e un'affidabilità ottimali del controllo per un sistema che deve essere in grado di funzionare per diversi decenni .

In questo caso, il prodotto in prova è unico e ha un valore di circa 50 milioni di euro. Il test non può fallire, deve essere perfetto subito e, naturalmente, la sicurezza delle squadre coinvolte è argomento obbligatorio di preoccupazione.

Syclone deve garantire l'acquisizione dei dati in tempo reale nonché il controllo e monitoraggio dell'intero processo di test dei razzi. I test eseguiti possono richiedere fino a 1000 canali da 64 a 200k campioni al secondo.

Una volta elaborato, il front-end dell'unità trasforma il pacchetto di rete in un segnale di trigger e fa partire l'acquisizione su 500 canali analogici. Questi dati vengono acquisiti ad altissima velocità fino a 200 kHz per canale, completamente sincronizzati ed è allo stesso tempo disponibili dal sistema di controllo con meno di 500 microsecondi di latenza (compresi i ritardi del convertitore sigma-delta).

I dati vengono elaborati nel controller per dare vita alla procedura di test: quali sono le pressioni del serbatoio? Qual è la posizione dell'ugello? Qual è il prossimo passo nella sequenza? L'elaborazione deve richiedere meno di 400 microsecondi. Infine, un ritardo è indotto dal front-end del convertitore. Il totale raggiunge un ciclo di elaborazione di 1 ms su una rete che ha una estensione di circa 4 chilometri. 1 ms di tempo di elaborazione del ciclo è importante risultato, ma ci sono anche altre caratteristiche chiave da considerare.

Per soddisfare i requisiti di test così impressionanti, il sistema di misura e monitoraggio in tempo reale deve raggiungere livelli molto elevati di prestazioni, tenendo presente che i dati acquisiti vengono utilizzati direttamente per controllare l'ugello. Il banco prova raggiunge alte velocità di loop di controllo, anche se l'apparecchiatura è distribuita su reti chilometriche. Il tempo di ciclo tra l'evento del sensore e l'azione sull'ugello deve essere di circa 1 ms.

Gli acquisitori DEWESoft Sirius e SBOX R8 sono interfacciati con i sensori e i segnali vengono acquisiti con il software DEWESoft. Grazie al bus EtherCAT, i dati vengono raccolti sulle reti ed elaborati nel controller in tempo reale.

SIRIUS E SBOX R8 - L'ACQUISIZIONE DATI

Durante il test sono state utilizzate unità di acquisizione dati Dewesoft. Ora sono parte integrante dell'European Solid Booster Test Bench (BEAP) e l'agenzia spaziale francese CNES (National Center for Space Studies) deve equipaggiare Ariane 6 launchpad con 800 canali DAQ SIRIUS STG isolati in rack da 19".

La soluzione prevede l'impiego di SBOX R8 Real Time, che offre una funzione chiave; una doppia modalità operativa. I dati vengono diffusi verso il supervisore dell'acquisizione dei dati ed allo stesso tempo vengono inviati al controllore in tempo reale.

Gli strumenti R8 permettono un elevato numero di canali di misura, sistemi DAQ standalone con potente computer di elaborazione dati integrato, funzionalità di registrazione dei dati su SSD, progettati per la massima portabilità. I sistemi possono essere configurati con un massimo di otto slice DAQ SIRIUS per un totale di 128 ingressi analogici praticamente per qualsiasi sensore. I sistemi R8 DAQ includono una porta master EtherCAT con sincronizzazione integrata per la connessione e l'estensione con altri sistemi DAQ basati su EtherCAT come SIRIUS DAQ.

Per l'acquisizione dei dati, vengono utilizzati sempre i moduli SIRIUS STG isolati. Innanzitutto perché permettono di interfacciare una vasta gamma di sensori ad un livello molto alto di prestazioni. In secondo luogo, avere un approccio modulare sui 16 banchi di prova e avere solo un riferimento da gestire durante la fase di manutenzione.

Lo strumento SIRIUS, che prende il nome appropriato dalla stella più brillante del cielo (Sirio), è adatto per questo compito. Integra la tecnologia DualCoreADC®, che risolve spesso complicati problemi di misura di segnali - sovraccarico di segnale in ingresso, rumore e frequenze artificiali nel segnale causato dall'aliasing. Ogni amplificatore ha due ADC che misurano contemporaneamente il segnale con guadagno alto e basso, ciò impedisce che il segnale venga tagliato e contemporaneamente mantenendo bassi valori di rumore.

Con questa tecnologia, SIRIUS raggiunge un rapporto segnale/rumore superiore a 130 dB e oltre 160 dB in gamma dinamica - 20 volte migliore rispetto ai sistemi a 24 bit e 20 volte meno rumore.

Lo strumento SIRIUS è inoltre dotato di un elevato isolamento galvanico canale-canale, canale-terra (CAT II 1000 V con gamme fino a 1600 V) e include l'eccitazione isolata del sensore. Tale livello di isolamento consente di misurare piccoli segnai in presenza di alti potenziali elettrici. Le misure, come le vibrazioni, le temperature o qualsiasi altra misura in cui i sensori non isolati sono posizionati accanto a un slyo potenziale elettrico verso terra del sistema DAQ, sono sicuri.

L'hardware è compatibile con diversi segnali come tensione, deformazione, ICP/IEPE, carica, CAN, contatore, encoder e digitale. Con il software Dewesoft X3 incluso, i dati vengono acquisiti e combinati con interfacce aggiuntive come la telemetria GPS, FlexRay, Ethernet, seriale, PCM e molti altri. Sebbene ciascuna fonte dati possa avere diverse frequenze di campionamento, i tempi e le tecnologie di sincronizzazione GPS assicurano che tutti i dati siano perfettamente sincronizzati.

SIRIUS utilizza una tecnologia brevettata denominata SUPERCOUNTER® in ogni ingresso contatore/encoder. Gli ingressi contatore possono misurare il numero di giri e l'angolo delle macchine rotanti. I supercounter sono in grado di estrarre valori accurati a virgola mobile come 1.37, 1.87, 2.37, ecc e non sono interi. Completamente sincronizzati per tempo e ampiezza. Gli ingressi contatore sono completamente sincronizzati con analogici, CAN bus e altre fonti di dati che consentono anche le applicazioni più esigenti, anche i test di propulsori a razzo.

Aerospace - il futuro

Diventare parte del progetto ARIANNE è stato un processo passo-passo. Nel 2016, 16 canali DEWESoft DAQ sono stati qualificati come parte di SYCLONE BY CLEMESSY - e dal test di gennaio 2019 sono stati utilizzati fino a 600 canali DAQ. Il CNES intende utilizzare la stessa tecnologia per Ariane 6 e soprattutto per i test di accensione nella Guyana francese del motore a razzo Vulcain 2.1.

Inoltre, i progetti comparabili sono stati affrontati in tutto il mondo e non solo nei test di propulsori. DEWESOFT e SYCLONE BY CLEMESSY uniscono il meglio di entrambi i mondi: capacità di DAQ di fascia alta e front-end di controllo con una soluzione software di controllo efficiente e completa. L'alto livello di qualità richiesto dall'Agenzia spaziale nazionale francese e più in generale dall'Agenzia spaziale europea ha aumentato la maturità e la robustezza delle soluzioni DEWESoft e SYCLONE BY CLEMESSY per i banchi di prova di grandi dimensioni con centinaia di canali.

Un altro test di accensione sarà necessario per finalizzare la qualifica del booster a propellente solido P120C prima del primo volo di Vega-C e di Ariane 6 nel 2020. Il motore ruggirà di nuovo, alberi e cespugli dovranno inchinarsi quando il fuoco e il fumo riempirà l'insenatura rocciosa di Kourou. Allo stesso tempo, i flussi di dati saranno in streaming a velocità estrema per garantire il controllo e il monitoraggio del test. La partnership di CLEMESSY e DEWESoft potenzia il decollo.