Revista >> Martie 2024 [Nr. 262] >> Cercetare & Invatamant superior

Testarea în România a turbopompelor pentru rachete spațiale dezvoltate de Agenția Spațială Europeană utilizând standurile de încercări realizate de COMOTI

Dr. ing. Razvan Carlanescu, INCD Turbomotoare COMOTI

19 Martie 2024

Participând activ la dezvoltarea cercetării și industriei spațiale europene prin implicarea în diferite programe importante, Institutul Național de Cercetare Dezvoltare Turbomotoare COMOTI devine un nume cunoscut și în domeniul spațial. Recent s-a finalizat dezvoltarea unor noi facilitați de testare și cercetare pentru pompe criogenice pentru sistemele de propulsie ale noilor lansatoare europene. Aceste facilități complexe s-au utilizat la realizarea cu succes a testelor de calificare pentru o pompă ce are ca fluid de lucru oxigenul lichid, realizată de partenerii italieni AVIO S.p.A. Aceasta va face parte din turbopompa care furnizează combustibil pentru motorul rachetei spațiale dezvoltate de Agenția Spațială Europeana (ESA) în cadrul programului de lansatoare VEGA-E.

ESA și istoria lansatoarelor spațiale Ariane și VEGA
În producția spațială din Europa, lansatoarele constituie o zona importantă de activitate, iar ESA a dezvoltat de-a lungul timpului o familie întreagă de lansatoare (rachete spațiale). Cel mai proeminent membru al acestei familii este seria de lansatoare Ariane, care a jucat un rol esențial în lansarea sateliților și a altor nave spațiale din cadrul diferitelor misiuni spațiale încă din anii 1970.
Povestea lui Ariane începe cu necesitatea ca Europa să aibă un mijloc independent de acces la spațiul cosmic. În anii 1960 și 1970, țările europene și-au dat seama de importanța deținerii unui vehicul propriu de lansare, în loc să se bazeze doar pe tehnologia americană sau sovietică. Acest lucru a dus la înființarea Agenției Spațiale Europene (ESA) în 1975, cu scopul principal de a dezvolta un lansator capabil să transporte încărcături utile în spațiu. Aceasta a devenit o organizație interguvernamentală dedicată explorării, cercetării și dezvoltării tehnologiei spațiului, are 22 de state membre și cooperează cu alte țări și organizații din întreaga lume.
Primul lansator, Ariane 1, a avut zborul inaugural în 1979. A fost un succes, marcând intrarea Europei pe piața lansărilor spațiale. De-a lungul anilor, familia Ariane a evoluat cu noi iterații, fiecare mai puternică, mai versatilă și mai capabilă decât ultima. Ariane 2 și Ariane 3 au urmat la scurt timp după, cu îmbunătățiri ale capacităților și performanțelor.
În anii 1990, Ariane 4 a devenit pilonul principal al flotei de lansare a ESA. A avut un mare succes, lansând o gamă largă de sateliți pe diferite orbite. Cu toate acestea, pe măsură ce tehnologia a avansat și încărcăturile de transportat au devenit mai grele, a fost nevoie de un lansator și mai puternic.
Astfel a apărut Ariane 5, nava amiral a familiei Ariane. Și-a făcut zborul de debut în 1996 și de atunci a devenit unul dintre cele mai fiabile și capabile vehicule de lansare din lume. Ariane 5 este capabil să ridice sarcini grele în orbita de transfer geostaționară (GTO) și a fost utilizat pe scară largă pentru lansarea sateliților de comunicații, misiuni științifice și chiar sonde interplanetare.
În ultimii ani, ESA a lucrat la următoarea generație de vehicule de lansare, cunoscută ca Ariane 6. Această nouă familie de rachete este proiectată pentru a fi mai rentabilă și mai flexibilă decât predecesorii săi, cu un design modular care permite diferite configurații ce se potrivesc diferitelor cerințe ale misiunii.
În general, povestea Ariane este una a inovației tehnologice, a cooperării internaționale la nivel european pentru explorarea spațiului și implementarea de misiuni științifice de mare anvergură. Acest lansator foarte fiabil a jucat un rol crucial în promovarea capacităților spațiale europene și în menținerea prezenței Europei în industria spațială globală.
Pe lângă familia de lansatoare Ariane, în paralel ESA a dezvoltat clasa de lansatoare VEGA, care a fost realizată pentru a face față unei game de misiuni și încărcături mai mici, țintind în principal utilizatorii instituționali. Această familie de lansatoare este concepută pentru a lansa sarcini utile mici - sateliți de 300 până la 2500 kg, pentru misiuni științifice și de observare a Pământului pe orbitele polare și joase. Dezvoltarea a început în 1998, iar misiunea de referință Vega și-a făcut debutul în 2012, ducând pe o orbită polară greutate de 1500 kg la o altitudine de 700 km. Lansatorul este alcătuit din trei trepte de alimentare cu combustibil solid și o treaptă superioară alimentată cu combustibil lichid pentru plasarea precisă a sarcinii utile.
În cadrul noului program ESA , VEGA-E (Evolution), se dezvoltă un nou tip de rachetă lansator în trei trepte și cu un nou tip de motor, care va folosi la treapta superioară drept combustibili oxigen lichid și metan, care au un impact redus de poluare asupra mediului. Primul zbor este planificat pentru anul 2026. Noul lansator va fi unui versatil, capabil să răspundă cerințelor actuale specifice domeniului spațial și va fi capabil să plaseze pe diferite orbite mai mulți sateliți în cadrul aceleași misiuni.

Standuri de testare turbopompe realizate de COMOTI la sediul din Măgurele
România este una dintre țările cu tradiție în domeniul spațial, personalități precum Conrad Haas, Hermann Oberth, Elie Carafoli aducându-și o importantă contribuție la cucerirea și cercetarea spațiului cosmic. În decembrie 2011 România a devenit cel de-al 19-lea stat membru al Agenției Spațiale Europene – ESA, fiind reprezentată de Agenția Spațială Română (ROSA). Aderarea României la ESA este rezultatul multor ani de eforturi, beneficiul major fiind integrarea în programele spațiale coordonate de ESA, ceea ce conduce nemijlocit la dezvoltarea industriei naționale. Institutul Național de Cercetare Dezvoltare Turbomotoare COMOTI participă în mod activ la dezvoltarea cercetării și industriei spațiale prin implementarea mai multor proiecte europene și naționale si este un partener de nădejde pentru Agenția Spațială Europeană prin diferite proiecte implementate cu succes.
În cadrul proiectului finanțat de ESA - Future Launchers Preparation Programme (FLPP), COMOTI a proiectat și realizat un stand de încercări pentru pompe criogenice și turbopompe, la sediul institutului din Măgurele. Acest stand a fost dezvoltat în urma unei colaborări apropiate cu partenerii italieni AVIO S.p.A și va contribui la calificarea și dezvoltarea noului lansator european din familia VEGA-E. Parametrii, gradul de complexitate, echipamentele și noutățile cu care vine în acest moment standul de testare îl fac unic în Europa, oferind posibilitatea de testare a unei game largi de puteri pentru turbopompe specifice sistemelor de propulsie pentru diferite lansatoare spațiale.
Obiectivele specifice de proiectare pentru instalația de testare sunt derivate din scopul de a oferi o capacitate de a simula condițiile de operare a turbopompelor într-un mod eficient, rapid și convenabil. Standul de testare a componentelor sistemelor de propulsie criogenice și auxiliare este operațional în prezent pentru partea de testare pompe, iar în cursul anului 2024 este planificată finalizarea parții din stand necesare testării ansamblului turbopompă.
Facilitatea are capacitatea de a testa o gamă largă de pompe, cu puteri de pana la 600 KW, în două game de turații. Pe stand vor putea fi testate pompe criogenice, dar și turbopompe, antrenarea acestora fiind făcută cu azot gazos. Atunci când se obțin datele privind caracteristicile turbinei, pompa funcționează în regim de frână hidraulică. Standul are, în prezent, următoarele componente principale:
• Instalația de testare a pompei, având o capacitate de retenție apă de 20 mc,
• Instalația de testare a turbinei/turbopompei având 2 rezervoare de azot gazos care permite furnizarea unui debit de azot de până la 4 kg /s,
• Senzori de temperatură, presiune, echipamente de măsurare a debitelor, echipamente de reglare, accelerometre,
• Sistem SCADA pentru achiziția de date, comanda, controlul și automatizarea întregului stand,
• Motor electric de acționare și multiplicator cu 2 trepte de turație disponibile.

Teste reușite pentru pompe criogenice de oxigen lichid
Performanțele motoarelor specifice lansatoarelor propulsate cu combustibili lichizi depind într-o mare măsură de ansamblul turbopompă. Costurile de mentenanță și timpii de realizare pentru motoarele rachetă propulsate cu combustibil lichizi sunt determinați, pe scara largă, de performanțele tehnologiilor utilizate în ansamblul turbopompă. Nivelul de complexitate și fiabilitate ale ansamblelor turbopompelor au un impact major asupra performanțelor motorului.
Turbopompa este cea mai solicitată componentă a motorului, fiind un ansamblu cu un număr mare de elemente interconectate. Geometriile complexe, turațiile ridicate și dependența dintre condițiile de operare ale turbopompei și procesele ce au loc în motor sunt motivele pentru care defectele ce apar în ansamblul turbopompă reprezintă cea mai mare pondere în cauzele defecțiunilor motoarelor rachetelor în timpul exploatării. Dificultățile eliminării acestor defecte sunt cauzate de procesele tranzitorii ce apar în interiorul turbopompei. Dezvoltarea tehnologiei de realizare a unei turbopompe este bazată pe metode și principii avansate de optimizare a întregului ciclului de dezvoltare privind proiectarea și fabricarea acestui echipament complex și vital pentru un motor rachetă propulsat cu combustibili lichizi.
Astfel, AVIO a proiectat și realizat în cadrul programului VEGA-E o pompă de oxigen lichid care va face parte din turbopompa care furnizează combustibil pentru motorul noului lansator VEGA-E. Utilizând noile standuri realizare de COMOTI în Măgurele, această pompă a fost testată recent în condiții de similitudine, utilizând apa ca fluid de lucru, rezultatele reușind cu succes să determine și să valideze caracteristicile și parametrii principali de funcționare ai pompei: debite, presiuni, regimuri de cavitație, cuplu, etc. Cu ajutorul unui motor electric special și al unui multiplicator de turație, se pot simula condițiile similare funcționarii la regim nominal în spațiu. Apa este vehiculată dintr-un rezervor exterior de inox, care este prevăzut cu instalații de presurizare și de vid.

În anul 2023, în prima faza a proiectului a fost finalizată instalația de testare și s-au pus la punct detaliile necesare pregătirii pentru experimentări. De asemenea, a fost necesară realizarea, instalarea, conectarea și instrumentarea pompei de testat. Instalarea, adaptarea și toate testele preliminare s-au realizat cu succes, depășind și inerentele probleme care apar la realizarea unui stand complet nou de experimentări, dezvoltat plecând doar de la o specificație tehnică. În lunile februarie și martie 2024 campania de testare s-a realizat cu succes, conform cerințelor și programului de testare furnizat de AVIO și ESA.

Dezvoltarea standului pentru testarea turbopompelor pentru motoarele racheta
Faza a doua a proiectului prevede proiectarea și realizarea unei extinderi a standului, prin construcția unei linii de azot. Aceasta va permite experimentarea de turbopompe, în care partea de turbină va fi acționată de azot gazos la presiuni și debite ridicate, iar partea de pompă va acționa drept frâna hidraulică cu apă, folosind linia realizată în prima faza a proiectului. Astfel, prin similitudine cu metanul, se poate simula funcționarea reală a turbopompelor de pe motoarele rachetă din programul VEGA-E și se pot determina cu precizie caracteristicile și condițiile de operare de pe motor.
Linia de azot, care la regimul maxim va opera la un debit de 4 Kg/s, va fi alimentată din doua rezervoare de 80 bar. Acestea vor fi alimentate de o stație de producere azot la fața locului, concepută special pentru acest proiect.

Pentru achiziționarea datelor specifice numeroșilor parametrii care monitorizează și evaluează performanțele pompei/turbopompei s-a proiectat și realizat în COMOTI un sistem special de achiziție date la frecvență mare (16000Hz). Instrumentarea și automatizarea standului a fost de asemenea realizată de specialiștii COMOTI.
Componentele au fost deja achiziționate, iar acestea urmează să fie asamblate conform desenelor și schemei tehnologice. Ulterior va urma partea de comandă, instrumentarea și integrarea în sistemul de achiziție de date a parametrilor, toate aceste activități vor fi realizate de specialiștii Comoti, împreună cu partenerii din proiect.

În a doua parte a anului curent sunt preconizate teste preliminare cu linia de experimentare pentru turbopompe. Apoi turbopompa realizată de AVIO va fi integrată în stand și va urma o nouă sesiune de teste și experimentări. Această configurație va fi similară cu cea care va funcționa în final pe motorul lansatorului VEGA-E, care va fi utilizat de ESA în diferite misiuni spațiale.
Comoti confirmă încă o dată capabilitățile și expertiza în domeniul mașinilor paletate rotative de înaltă turație, și dovedește că poate face față rigorilor și provocărilor domeniului spațial. Inovarea lansatoarelor europene este într-o dezvoltare accelerată, existând premisele folosirii standului din Măgurele pentru testarea unor noi turbopompe în viitor și folosirea bazei de experimentări în alte proiecte ale Agenției Spațiale Europene.