Czyste rakiety nośne

Górne stopnie rakiet nośnych są zazwyczaj wyposażone w czujniki, które teoretycznie mogą powiedzieć inżynierom wszystko, czego potrzebują, na temat stanu rakiety i możliwych defektów. Jednak ograniczone możliwości przetwarzania danych w urządzeniach pokładowych oraz przepustowość łączy z systemami naziemnymi uniemożliwiają jak dotąd uzyskanie większości takich informacji.

W tym kontekście powstał projekt MaMMoTH-Up (Massively extended Modular Monitoring for Upper Stages). Konsorcjum projektu postawiło sobie za cel zwiększenie ilości monitorowanych danych o ponad 2500 razy w ciągu 42 miesięcy.

Jan-Gerd Mess, koordynator projektu z ramienia Niemieckiego Centrum Kosmicznego, omawia osiągnięcia projektu na niedługo przed jego zakończeniem planowanym na sierpień 2018 r.

Dlaczego ważne jest pozyskiwanie większej ilości danych z górnych stopni rakiet nośnych?

Jednym z naszych głównych celów jest uzyskanie pełniejszego wglądu w środowisko rakiety nośnej. Jest to ważne dla lepszego zrozumienia warunków, na jakie jest narażona, ale przede wszystkim wynikających z tego naprężeń mechanicznych, które musi wytrzymać cały system.

Dane te pochodzą z czujników temperatury, ciśnienia, drgań, wstrząsów i przyspieszenia, jak również z czujników tensometrycznych. Pomoże to zoptymalizować sam system, a także umożliwi w przyszłości poprawę jego stabilności i bezpieczeństwa oraz zmniejszenie masy. Jest to szczególnie ważne w przypadku nowo stosowanych materiałów, takich jak włókna węglowe, ponieważ możemy w pełni wykorzystać ich potencjał tylko wtedy, gdy w pełni zrozumiemy ich zachowanie w warunkach eksploatacyjnych.

Co sprawia, że gromadzenie tych danych jest tak trudne?

Istniejące oprzyrządowanie rakiet nośnych i jego system telemetryczny, choć sprawdzone i niezawodne, mają ograniczoną moc obliczeniową i przepustowość.
Modernizacja dowolnego z tych elementów jest bardzo droga, ponieważ wiąże się z kosztowną i długotrwałą procedurą ponownego dopuszczenia całej rakiety do użytku, a także znacznymi inwestycjami w infrastrukturę naziemną.

Jakie rozwiązanie tego problemu Państwo proponują i co Państwa zdaniem decyduje przede wszystkim o innowacyjności tego podejścia?

Nasze podejście polega na stworzeniu systemu modułowego, który można łatwo dostosowywać i rozbudowywać w celu spełnienia określonych wymagań danej misji. Jest on minimalnie inwazyjny, a jednocześnie minimalizuje zagrożenia związane z nominalną misją rakiety.

Dzięki zastosowaniu dostępnych na rynku komponentów w chronionym środowisku moc obliczeniowa sprzętu pokładowego może zostać znacznie zwiększona. Pozwala nam to na wprowadzenie inteligentnych algorytmów selekcji i kompresji danych, które optymalizują ilość przydatnych informacji zależnie od istniejącego łącza telemetrycznego. Dzięki zastosowaniu popularnych interfejsów szeregowych, takich jak RS422 i magistrala CAN, mamy pewność, że przyszłe rozwiązania i moduły (kamery, bezprzewodowe czujniki itp.) będą mogły korzystać z opracowanego systemu.

Czy system demonstracyjny spełnił Państwa pierwotne oczekiwania?

Do tej pory demonstrator przeszedł niezbędne testy kwalifikacyjne, które potwierdzają, że może być stosowany w rakietach ARIANE 5, i dotyczą podciśnienia termicznego, szybkiego spadku ciśnienia oraz kompatybilności elektromagnetycznej. Czekają nas jeszcze testy wibracyjne, które zostaną przeprowadzone w ciągu najbliższych miesięcy, przed zakończeniem projektu.

Z funkcjonalnego punktu widzenia cały system został zmontowany i z powodzeniem przeprowadzono symulacje misji na podstawie profili lotów ARIANE 5. Chociaż selekcja danych jest wciąż aktualnym przedmiotem zarówno badań, jak i wdrażania, kompresja danych oraz wszystkie mechanizmy alokacji i transmisji danych z czujników są gotowe i zostały pomyślnie przetestowane.

Jak daleko Pana zdaniem uda wam się zajść? Czy osiągnęliście już etap lotów demonstracyjnych?

Model kwalifikacyjny jest już zintegrowany i przechodzi testy kwalifikacyjne jak rzeczywisty sprzęt przeznaczony do lotów. Jesteśmy więc pewni, że do końca projektu uda nam się osiągnąć TRL 5/6.

Jakie są Państwa plany dotyczące komercjalizacji i jakie Pana zdaniem będą najważniejsze atuty na tle potencjalnej konkurencji?

Z tego co wiemy, nie istnieje obecnie żaden inny system, który w sposób modułowy zwiększałby możliwości rakiety nośnej w zakresie pozyskiwania danych, jak i oferował rozszerzalną platformę do testowania nowych technologii w bezpiecznym środowisku podczas lotu. W ten sposób powstaje całkowicie nowe zastosowanie rakiety.

Jakie są plany dalszych prac?

Planujemy ubiegać się o dalsze finansowanie w ramach programu Horyzont 2020 oraz o środki ESA z przeznaczeniem na testy i demonstracje na orbicie, aby potwierdzić przydatność naszego podejścia.

Dodatkowo powinna być możliwa adaptacja do rakiety ARIANE 6, która obejmowałaby nie tylko przyszły lot, ale również zastosowanie systemu MaMMoTH-Up podczas naziemnych testów systemów i podsystemów. Zwiększyłoby to możliwości ośrodków kwalifikacyjnych w zakresie pozyskiwania danych.