Teste do motor de foguete na bancada de teste da ESA para grandes propulsores de propelente sólido

O impulso do propulsor é de cerca de 4650 kN. O trovão atinge a floresta tropical; o barulho é ensurdecedor. O encharcamento rochoso profundo ao pé da torre de lançamento é forçosamente preenchido com grandes nuvens de fogo e fumaça. As árvores ao longo das bordas estão balançando fortemente. Ele é disparado por apenas 135 segundos, mas a potência do motor de foguete sólido é esmagadora.

P120C, o motor testado mede 13,5 metros de comprimento e 3,4 metros de diâmetro. Embalado com 142 toneladas de propelente sólido, o motor foi aceso e produziu uma inundação de chamas. Tudo para validar seu projeto - monitorar, medir e documentar todas as funções e peças com 600 parâmetros - simulando o tempo de queima completo desde a decolagem até a primeira fase do vôo.

O cenário é o espaçoporto europeu localizado a cerca de 10 km ao noroeste de Kourou na Guiana Francesa, América do Sul. No dia 28 de janeiro de 2019, as instalações da CNES (Agência Espacial Francesa Nacional) testaram seu segundo motor de foguete sólido P120C, um passo em direção aos lançamentos iniciais do lançador de satélite leve Vega-C no final deste ano e do lançador de satélite pesado Ariane 6 em 2020.

O disparo estático a quente foi um sucesso - mais um passo importante no programa espacial europeu conjunto para garantir que milhões de cargas úteis cheguem à órbita com segurança e economia - e os produtos de aquisição de dados Dewesoft desempenharam um

Clemessy e Dewesoft - a solução de teste

Na preparação para o teste, todos os principais componentes do motor - como bico, ignição, propelente sólido e caixa do motor isolada - já haviam sido testados separadamente.

Esta queima estática é projetada para provar essas tecnologias, materiais e técnicas de produção em combinação e validar o comportamento do motor montado, observou a ESA antes do teste.

Em 2015, o CNES, em nome da ESA, apresentou a tarefa de melhorar a bancada de teste do foguete Ariane, substituindo uma aquisição analógica de dados por um condicionamento de ponta e digitalização de aquisição de dados. O provedor enfrentaria o desafio de fazer interface com a bancada de teste existente e fornecer controle-comando de alta confiabilidade.

Este desafio foi aceito pela CLEMESSY como integradora de sistemas, mesmo com um prazo apertado e tempo limitado para a conclusão do projeto: a data do teste de disparo foi fixada, aconteça o que acontecer, as equipes tiveram que colocar a aquisição de dados e controle-comando totalmente operacionais para o teste.

CLEMESSY é uma empresa francesa especializada na engenharia e implementação de instalações técnicas industriais. A CLEMESSY, subsidiária da EIFFAGE , deveria entregar o sistema a ser utilizado nos testes do propulsor no lançamento do Ariane e se responsabilizar pela manutenção das instalações.

Para a aquisição de dados CLEMESSY selecionou Dewesoft. No lado do hardware, o Syclone garante as interfaces com o operador, executa o servidor e o sequenciador em tempo real, enquanto o Dewesoft faz a interface com o processo. A originalidade é que os sistemas de aquisição e controle de dados Dewesoft não são usados ​​apenas como aquisição de dados, mas também fornecem dados para o sistema de controle Syclone em tempo real.

KOUROU - O PORTAL ESPACIAL EUROPEU

O teste foi realizado na Guiana Francesa, no Centro Espacial da Guiana (CSG) - o espaçoporto europeu  , que está em operação desde 1968. Essa região ultramarina da França tem o tamanho de Portugal - 98% é coberta por floresta tropical - e tem uma pouco mais de 250.000 habitantes. A indústria está centrada em torno do espaçoporto e cerca de 15% da população ativa está direta ou indiretamente envolvida com a indústria espacial.

Geograficamente, esta localização cumpre os dois principais requisitos de um espaçoporto:

• Está perto do equador, o que significa que menos energia é necessária para manobrar uma espaçonave em uma órbita equatorial geoestacionária. Foguetes podem ser lançados em órbita com uma inclinação de até ~ 6 °.

• Tem um mar aberto a leste, o que significa que é improvável que os estágios inferiores de foguetes e detritos de falhas de lançamento atinjam habitações humanas. Foguetes são lançados para o leste para aproveitar o momento angular fornecido pela rotação da Terra.

A Agência Espacial Européia (ESA), a Agência Espacial Nacional Francesa (CNES) e empresas comerciais como a Arianespace conduzem lançamentos de Kourou. O espaçoporto foi usado pela ESA para enviar suprimentos para a Estação Espacial Internacional. A ESA paga dois terços do orçamento anual do espaçoporto e também financiou atualizações feitas durante o desenvolvimento dos lançadores Ariane.

O dia-a-dia do CSG é gerido pelo CNES. O CNES fornece todo o suporte de alcance necessário, solicitado pela Arianespace, para preparação e lançamento de espaçonaves e veículos de lançamento. As instalações podem processar várias naves espaciais de diferentes clientes ao mesmo tempo, com grandes salas limpas e infraestruturas de apoio. A integração e o lançamento da nave espacial e do veículo de lançamento são realizados a partir de locais e lançamento dedicados a projetos especiais; Ariane, Soyuz ou Vega.

Ariane 6 - o lançador

O teste é sobre o projeto do lançador Ariane 6. O objetivo da ESA é garantir e manter um acesso independente ao espaço para a Europa. Com início em 1973, o programa de desenvolvimento está trabalhando com o CNES como contratante principal. O vôo inaugural do Ariane 1 ocorreu em 24 de dezembro de 1979.

A ESA trabalha com uma rede industrial, liderada pelo ArianeGroup , de mais de 600 empresas em 13 países europeus, incluindo 350 pequenas e médias empresas, para ajustar o design e iniciar a produção. Enquanto isso, o CNES está preparando suas instalações de lançamento no CSG.

A missão geral é fazer um veículo econômico, confiável e não tripulado que forneça acesso acessível ao espaço - uma ferramenta para lançar satélites para comunicação móvel, transmissão de televisão, meteorologia, observação da Terra e muitos outros usos.

O custo de exploração do sistema de lançamento Ariane 6 é seu principal motivador para o desenvolvimento. O projeto final do Ariane 6 foi selecionado em dezembro de 2014, favorecendo um núcleo de combustível líquido com grandes propulsores de foguetes sólidos em vez do projeto inicial de foguetes de combustível sólido. O Ariane 6 substituirá o Ariane 5 pela metade do custo e permitirá o dobro de lançamentos a cada ano.

O Ariane 6 consiste principalmente nestes componentes:

• Um Módulo de Propulsão de Líquido Inferior equipado com o motor Vulcain 2.1.

• Um Módulo de Propulsão de Líquido Superior equipado com o motor Vinci.

• Dois ou quatro foguetes sólidos equipados, dependendo da configuração do veículo lançador: Ariane 62 ou Ariane 64.

• Uma carenagem de carga útil.

• Dependendo dos requisitos da missão, uma variedade de adaptadores / dispensadores / estruturas de lançamento duplo ou estruturas de transporte podem ser usados.

• Estruturas de transporte para micro, minissatélites e nanosats.

O motor Vulcain 2.1 do Ariane 6 é construído com menos peças, mantendo uma maior eficiência, enquanto o estágio superior Vinci aprimorado permitirá destinos orbitais adicionais para maior flexibilidade por meio de uma capacidade de reignição mais ampla.

Beap - o banco de test

Ao contrário de muitos testes de motores sólidos, esta queima foi conduzida em uma posição vertical na bancada de teste. A instalação de teste é continuamente aprimorada para acomodar a evolução do lançador europeu. O novo foguete sólido P120C e a base de teste foram equipados com sensores para coletar dados em mais de 600 parâmetros, montou o suporte e disparou por 135 segundos no teste.

O Solid Booster Test Bench (BEAP) é o único local de teste do Centro Espacial da Guiana. Desde 1993, realiza testes de motores Ariane 5 Solid Booster Stage (EAP). Nenhum foi planejado para decolar e a instalação está equipada com sistemas de segurança para evitar que um impulsionador se solte da bancada de teste e saia do solo. Nesse caso, grandes lâminas cortariam seu envelope, permitindo que o propelente sólido queimasse livremente sem fornecer qualquer impulso.

O BEAP é usado para testar os impulsionadores dos lançadores europeus ARIANE 5, VEGA e futuros ARIANE 6 para garantir que funcionem corretamente. A bancada de teste adquire as medidas e controla o bico para verificar o funcionamento da eletrônica de bordo.

P120C - o booster

O P120C foi projetado e construído por um consórcio europeu envolvendo uma joint venture conhecida como Europropulsion, um empreendimento entre o ArianeGroup e a Avio.
O impulsionador P120C tem um empuxo de aproximadamente 1 milhão de libras. Ele tem o maior invólucro de reforço de foguete composto de fibra de carbono monolítica do mundo A caixa do motor é um único componente projetado para reduzir o custo de cargas voadoras.

O booster é o primeiro estágio do Vega-C, um novo lançador desenvolvido pela ESA, que deve estrear em 2020, aumentando o desempenho dos atuais 1,5 t da Vega para cerca de 2,2 t em uma órbita polar de referência de 700 km. Ele também funcionará como o impulsionador de correia para a série Ariane 6 - dois ou quatro desses impulsores podem ser fixados no lançador Ariane 6 para fornecer o impulso necessário para a decolagem.

O P120C, co-desenvolvido pela ArianeGroup e Avio em nome de sua joint venture 50/50 Europropulsion, consiste em duas partes principais. O primeiro é o invólucro estrutural, construído pela Avio, um grupo internacional que se dedica à construção e desenvolvimento de lançadores espaciais e sistemas de propulsão sólidos e líquidos para viagens espaciais. O invólucro é feito de fibra de carbono (folhas de epóxi pré-impregnadas com enrolamento em filamento e layup automatizado de tecido).

A segunda parte é o bico, construído pelo ArianeGroup e feito de vários materiais compostos, incluindo carbono / carbono; permite a ejeção em alta velocidade dos gases extremamente quentes (3.000 ° C) gerados pelo motor, gerando empuxo ao transformar a energia do gás de combustão em energia cinética. O bico também pode girar, o que permite que o lançador seja pilotado. A fundição do propelente e a integração final do motor são realizadas na Guiana Francesa.

Enquanto o Vega-C continuará a ser lançado a partir do Vega pad atual no espaçoporto, um novo complexo de plataforma de lançamento está sendo construído para o Ariane 6, chamado ELA-4.
Para uma campanha de lançamento, os estágios principais serão integrados e preparados horizontalmente no Edifício de Montagem do Lançador, a menos de um quilômetro da zona de lançamento. O núcleo central é então movido para a almofada e erguido verticalmente no pórtico móvel. Lá, os reforços, cargas úteis e carenagem são adicionados, antes que a estrutura móvel permita que as plataformas acessem os diferentes níveis da plataforma. O gantry é movido pouco antes do lançamento.

Mais dois disparos de bancada de teste seguirão para qualificar o motor sólido antes do primeiro vôo do Vega-C em 2019 e do Ariane 6 em 2020.

Syclone - o sustema de controle de teste

O sistema agora implementado no BEAP integra o SYCLONE da CLEMESSY (Syclone), um software de controlo-comando totalmente escalável e operando como uma caixa de ferramentas, que permite desenvolver uma solução personalizada adaptada às necessidades e ambientes. A estrutura do software combina os mundos de supervisão, controle de processo em tempo real e hardware físico.

O Sistema de Apoio à Decisão fornece aos operadores do Centro Espacial da Guiana um mapa de apoio para zonas de perigo durante operações de risco, como o lançamento de um foguete. O objetivo do sistema é analisar e cruzar parâmetros meteorológicos e pirotécnicos em uma área de 2.200 km² e exibir informações em tempo real de até 10 operações perigosas realizadas simultaneamente para fins de coordenação.

Na fase inicial do projeto, recursos avançados foram solicitados pelo cliente final; um, para ver o sistema global como se fosse apenas uma unidade de medida, e dois, para ter um disparador cruzado que dispara todas as unidades no mesmo evento. Por último, os requisitos de segurança cibernética são muito elevados e foram atendidos desde o início do projeto.

Ao testar propulsores ou motores de lançadores de foguetes, a singularidade e o alto valor agregado das unidades testadas, bem como os altos riscos pirotécnicos, exigem segurança e confiabilidade ideais do controle-comando para um sistema que deve ser capaz de ser usado por vários décadas.

Neste caso, o Produto em Teste é único e tem um valor de cerca de 50 M €. O teste não pode falhar , tem que estar certo pela primeira vez - e naturalmente, a segurança das equipas envolvidas é uma preocupação obrigatória.

O Syclone deve garantir a aquisição de dados e medição em tempo real, bem como controlar e monitorar todo o processo de teste de foguetes . Os testes realizados podem exigir até 1000 canais com 64 a 200k amostras por segundo.

Uma vez processado, o front-end do drive transforma o quadro de rede em um sinal analógico. Imagine um sinal de ignição. Todos os 500 canais analógicos são iniciados. Esses dados são adquiridos no software de aquisição de dados em uma velocidade muito alta de até 200 kHz por canal, totalmente sincronizados, e ao mesmo tempo estão disponíveis para o sistema de controle com latência inferior a 500 microssegundos incluindo os atrasos do grupo sigma-delta.

Os dados são processados ​​no controlador para gerar o caso de teste preparado: Quais são as pressões do tanque? Qual é a posição do bico? Qual é a próxima etapa na sequência? 400 microssegundos necessários.
Por último, um atraso é induzido pelo front-end do drive. A consequência é um tempo de loop de processamento de 1 ms em uma rede de cerca de 4 quilômetros. 1 ms de tempo de processamento do loop é importante, mas também existem outros recursos importantes a serem considerados.

Para cumprir os requisitos de testes tão impressionantes, o sistema de medição e monitoramento em tempo real deve atingir níveis muito altos de desempenho - tendo em mente que os dados adquiridos são usados ​​diretamente para acionar o bico. A bancada de testes atinge altos níveis de velocidade para processamento de loop, mesmo que o equipamento seja distribuído por quilômetros de redes. O tempo de loop entre o evento do sensor e a ação no bico deve ser de cerca de 1 ms.

A aquisição de dados faz a interface com os sensores e os sinais são adquiridos no sistema Dewesoft DAQ, SIRIUS e  R8rt  - ambos se comunicam perfeitamente através de uma rede EtherCAT.

Graças ao barramento EtherCAT integrado, os dados são coletados nas redes e calculados no controlador em tempo real.

SIRIUS E SBOX R8 - A AQUISIÇÃO DE DADOS

Sistemas de aquisição de dados da Dewesoft foram usados ​​durante o teste. Eles agora são parte integrante do European Solid Booster Test Bench (BEAP) e a agência espacial francesa CNES (Centro Nacional de Estudos Espaciais) deve equipar a plataforma de lançamento do Ariane 6 com 800 canais do  sistema de aquisição de dados SIRIUS com entradas analógicas STG isoladas em 19 ”Racks.

A solução também inclui o R8rt, que oferece uma funcionalidade única e essencial - o barramento de dados de modo duplo. Os dados analógicos de alta velocidade são transmitidos e salvos no supervisor de aquisição de dados e, ao mesmo tempo, também são enviados ao controlador em tempo real por meio do barramento EtherCAT em tempo real e baixa latência .

Os instrumentos R8rt são sistemas DAQ autônomos de alta contagem de canais com computador de processamento de dados poderoso integrado, recursos de registro de dados SSD, projetados para máxima portabilidade. Os sistemas podem ser configurados com até oito fatias do amplificador SIRIUS DAQ para um total de 128 entradas analógicas para praticamente qualquer sensor. Os sistemas R8rt DAQ incluem uma porta escravo EtherCAT com sincronização embutida para conexão e extensão de um sistema DAQ baseado em EtherCAT como módulos SIRIUS ou KRYPTON DAQ .

Na aquisição de dados, apenas amplificadores isolados SIRIUS STG e módulos de condicionamento de sinal são usados. Em primeiro lugar, porque cobre uma vasta gama de sensores com um nível de desempenho muito elevado. Em segundo lugar, ter uma abordagem modular nas 16 bancadas de teste e ter apenas uma referência para manusear durante a fase de manutenção.

O instrumento SIRIUS DAQ - apropriadamente nomeado em homenagem à estrela mais brilhante do céu, a Dog Star - é adequado para a tarefa. Ele vem com a tecnologia DualCoreADC® , que resolve os problemas freqüentemente enfrentados com a medição do sinal - sobrecarga de entrada, ruído e frequências artificiais no sinal causadas por aliasing. Cada amplificador de canal tem dois ADCs que sempre medem o ganho alto e baixo do sinal de entrada. Isso evita que o sinal seja cortado e mantém os resultados em toda a faixa de medição do sensor.

Com esta tecnologia, o SIRIUS atinge uma relação sinal-ruído de mais de 130 dB e mais de 160 dB na faixa dinâmica - 20 vezes melhor do que sistemas de 24 bits e 20 vezes menos ruído.

O instrumento SIRIUS também vem com alto isolamento galvânico canal a canal, canal a terra (CAT II 1000 V com faixas de até 1600 V) e inclui excitação de sensor isolada. Esse isolamento permite medir potenciais de alta tensão. As medições, como vibrações, temperaturas ou qualquer outra medição onde sensores não isolados são colocados próximos a um potencial de alta tensão contra o aterramento do sistema DAQ, são seguras.

O hardware pode ler diferentes sinais como tensão , deformação , ICP / IEPE, carga , CAN, contador, codificador e digital. Com o software DewesoftX incluído , os dados são adquiridos e combinados a partir de interfaces adicionais como GPS , FlexRay, Ethernet, Serial, telemetria PCM e muito mais. Embora cada fonte de dados possa ter diferentes taxas de amostragem, as tecnologias de sincronização de tempo e GPS garantem que todos os dados estejam perfeitamente sincronizados.

O sistema de aquisição de dados SIRIUS utiliza uma tecnologia patenteada chamada SUPERCOUNTER® em cada entrada de contador / codificador. As entradas do contador podem medir o RPM e o ângulo de máquinas rotativas. As entradas do Supercenter são capazes de extrair valores precisos como 1,37, 1,87, 2,37, etc. totalmente sincronizados para tempo e amplitude. As entradas do contador são totalmente sincronizadas com analógico, barramento CAN e outras fontes de dados, permitindo até mesmo as aplicações mais exigentes, até mesmo testes de reforço de foguete.

Aerospacial - o futuro

Fazer parte do projeto ARIANE tem sido um processo passo a passo. Em 2016, 16 canais DAQ Dewesoft foram qualificados como parte do SYCLONE by CLEMESSY - e pelo teste, em janeiro de 2019 até 600 canais DAQ foram usados. O CNES pretende usar a mesma tecnologia para o Ariane 6 e especialmente o teste de disparo na Guiana Francesa do motor foguete Vulcain 2.1.

Além disso, projetos comparáveis ​​estão sendo tratados em todo o mundo e não apenas em testes de disparo de reforço. Dewesoft e SYCLONE by CLEMESSY combinam o melhor dos dois mundos: aquisição de dados de ponta e front-ends de controle com soluções de software de controle-comando de desempenho total e eficiente. O alto nível de qualidade exigido pela Agência Espacial Francesa Nacional e, mais geralmente, pela Agência Espacial Europeia aumentou a maturidade e robustez das soluções Dewesoft e SYCLONE by CLEMESSY para grandes bancos de teste com centenas de canais.

Mais um disparo de bancada de teste seguirá para finalizar a qualificação do impulsionador sólido P120C antes do primeiro vôo do Vega-C e do Ariane 6 em 2020. O trovão do motor rugirá novamente, árvores e arbustos terão que se curvar como fogo e a fumaça enche a chuva rochosa em Kourou. Ao mesmo tempo, cargas de dados são transmitidas em velocidade extrema para garantir o controle e o monitoramento do teste. A parceria da CLEMESSY e da Dewesoft impulsiona o lançamento.