Prometheus: verso un propulsore europeo economico e riutilizzabile

Ormai prossima al debutto del nuovo vettore medio pesante Ariane 6, ESA sta già lavorando alla sua evoluzione: Ariane NEXT, una famiglia di lanciatori riutilizzabili, modulari e competitivi sul mercato internazionale, basati sul nuovo propulsore Prometheus a metano e ossigeno liquidi (CH₄/O₂), economico, flessibile e soprattutto riutilizzabile.

Prometheus (Precursor Reusable Oxygen METHane cost Effective propUlsion System) nasce dalla collaborazione dell’agenzia spaziale francese CNES con Ariane Group e nel 2016 è entrato nel programma di sviluppo dei nuovi lanciatori (FLPP) dell’agenzia spaziale europea ESA, con Germania, Italia, Belgio, Svezia e Svizzera che si uniscono alla Francia per la realizzazione. Nel 2017 ESA e Ariane Group hanno infine sancito l’accordo con la firma del contratto di realizzazione finale.

Questo nuovo propulsore nasce soprattutto per soddisfare esigenze di natura economica. L’obiettivo finale è il costo: ogni unità non dovrà costare più di 1 milione di euro (contando una produzione di 50 unità all’anno), con un risparmio di 10 volte rispetto all’attuale propulsore “Vulcain 2” utilizzato sul primo stadio dell’Ariane 5.
Per ottenere questo risultato Ariane Group sta applicando i principi della manifattura industriale moderna, più agili e razionali:

• rapporto estremo tra progettazione e costo finale;
• sviluppo semplificato mantenendo sempre l’innovazione come idea centrale;
• approccio più rapido ai risultati parziali e realizzazione veloce di componenti prototipi;
• ampio utilizzo della stampa 3D (Additive Manifacturing);
• utilizzo di materiali standard e con maggiore tolleranza;
• utilizzo di sottosistemi semplificati;
• ottimizzazione della linea di montaggio.

Caratteristiche e innovazione

Il Prometheus utilizza come combustibile metano liquido anziché idrogeno e come comburente ossigeno liquido, sfruttando il ciclo a generatore di gas per alimentare la singola turbopompa di alimentazione. Questo, a scapito di una piccola e nota diminuzione della potenza di spinta, consente una notevole semplificazione dell’architettura globale e una riduzione del numero di componenti, i cui principali sono:

• una turbopompa monoalbero;
• un generatore di gas, con relativa camera di combustione e ugello per lo scarico dei gas;
• due elettrovalvole per l’alimentazione della turbopompa (VCM e VCO);
• due elettrovalvole per il generatore di gas (VGM e VGO),
• una camera di combustione (100 bar di pressione) con rapporto metano/ossigeno pari a 3:5;
• ugello principale (400 bar di pressione) raffreddato dal metano liquido.

La potenza sviluppata massima sarà di 100 tonnellate (1000 kN), con la possibilità di regolare la spinta tra il 30% e 110%, il che offre una notevole capacità di controllo in base alle necessità. È progettato per poter essere utilizzato sia sul primo sia sul secondo stadio e, avendo la capacità di essere riavviato più volte, potrà essere utilizzato anche sugli upper stage.

Due unità di controllo, REEC (Rocket Engine Electronic Controller) e HUMS (Health and Usage Monitoring System) monitoreranno in tempo reale lo stato e le prestazioni del propulsore, intervenendo automaticamente per erogare la potenza richiesta, preservarne l’integrità e garantirne la riutilizzabilità. A fine missione, una volta recuperato il propulsore, l’unità HUMS sarà in grado di comunicare lo stato di ciascun componente per effettuare una manutenzione mirata e ottimizzare quindi la preparazione al riutilizzo.

La scelta di utilizzare il metano liquido, abbandonando l’idrogeno utilizzato dai propulsori Vulcain dell’Ariane V, è dettata da numerosi vantaggi:

• il metano è facilmente reperibile (anche da fonti biologiche) e, grazie alla più alta temperatura di liquefazione rispetto all’idrogeno (–161,5 °C contro i –252 °C), è più facile da maneggiare, trasportare e stoccare in serbatoi;
• tale temperatura è molto vicina a quella dell’ossigeno liquido (–183 °C), il che consente di utilizzare un’unica turbopompa di alimentazione e di uniformare la coibentazione dei due serbatoi all’interno del vettore;
• il metano liquido ha una densità maggiore rispetto a quella dell’idrogeno, ciò permette di utilizzare serbatoi, condutture, valvole e turbopompa più piccoli;
• a differenza dell’idrogeno liquido, il metano non indebolisce i materiali con cui viene a contatto;
• a contatto con l’ossigeno liquido non esplode, ciò semplifica notevolmente l’architettura del propulsore;
• durante l’espansione non si riscalda e la pressione aumenta lentamente, ciò consente di anticipare le operazioni di carico nei serbatoi.

Stato attuale del progetto

A differenza di altri programmi, il progetto Prometheus sta avanzando molto velocemente e attualmente è sottoposto alla “Manufacturing Readiness Reviews”, la revisione che darà il via alla realizzazione dei componenti finali.
Negli ultimi due anni, a scopo dimostrativo e per poter condurre test meccanici, sono state prodotte molte parti utilizzando la stampa 3D, quali il corpo della turbopompa, dischi della turbina, il generatore di gas, corpi valvola, camera di combustione ecc, incrementando la maturità e la conoscenza del processo.

La turbopompa e il generatore di gas sono già stati sottoposti a esaustive campagne di test al banco in Francia e in Germania.
Il primo modello di camera di combustione completa è atteso per la fine del mese di giugno ed entro la fine dell’anno il primo propulsore completo (M1) sarà pronto per iniziare i test di accensione a Lampoldshausen in Germania.

Alla fine della campagna di test e una volta superata la revisione finale, il Prometheus sarà pronto per le prove di volo come propulsore del dimostratore riutilizzabile di decollo e atterraggio verticale THEMIS. Prima di essere impiegato sui futuri lanciatori Ariane NEXT a partire dal prossimo decennio, Ariane Group avrebbe espresso il desiderio di utilizzare il Prometheus anche sull’Ariane 6, in versione a perdere, andando a sostituire il propulsore ad idrogeno Vulcain 2.1 sul core stage.

Fonte: ESA, CNES, Ariane Group, DLR.