Autorul articolului de față a avut onoarea ca, în anul 1987, într-o tabără de pionieri ținută la Soveja, jud. Vrancea, să asiste la prelegeri SF ținute de dl. Alexandru Mironov. Subsemnatul era aeromodelist și rachetomodelist deopotrivă: la Soveja, ziua se desfășura antrenament cu modelele, iar seara – audieri de SF și vizionări de filme.
Acolo, am avut șansa, evident fantastică, să văd filmul „ET”, însoțit de comentariile agreabile ale domnului Mironov, care anticipau faimoasele emisiuni SF de la TVR din anii ’90. Am avut acces la „Modelism” și „Știință&Tehnică”, începând cu 1985, respectiv 1987. Aceste reviste au format (sau deformat) generații. Deși, pentru o vreme, tehnologia spațială autohtonă a făcut obiectul ironiei crâncene a subsemnatului, viața i-a aplicat pedeapsa de a se ocupa de subiect, cu executare la locul de muncă.
Accesul în proiectele europene semnificative în care INCAS este partener s-a realizat prezentând ca argumente facilitățile experimentale aerodinamice (sufleriile subsonică și supersonică). Saltul spectaculos pe care l-a realizat INCAS, începând cu anul 2007, este legat de o serie de proiecte europene interconectate din punctul de vedere al consorțiilor, care au presupus printre altele și activități de aerodinamică experimentală: UFAST, CESAR, AVERT sau JTI-Clean Sky (prin subproiectele SFWA și GRA) și nu numai.
Intrarea în programul național spațial organizat ca atare (STAR), începând cu 2012, a permis abordarea primei serii de proiecte naționale. La sfârșitul anului 2014, s-a creat departamentul de proiecte ESA, în care sunt tratate, într-o manieră coerentă, proiectele în derulare, dar mai ales numeroasele oportunități. Departamentul este cumva „soft”, funcționând prin suprapunere peste departamentele și compartimentele existente.
Astfel, departamentele „Fizica curgerii”, „Sisteme și mecatronica” și „Materiale” au ponderea cea mai mare în proiectele curente ale institutului. Cunoașterea și abilitățile din domeniul aviației sunt, desigur, o bază pentru proiectele spațiale, dar având proiecte dedicate de numai doi ani, se poate spune că suntem la început.
Proiecte în derulare
1. Aerodinamica reintrării
INCAS funcționează ca partener în două proiecte conduse de UPB-Facultatea de Aeronave, prin dl. Prof. Sterian Dănăilă. Aceste proiecte sunt dedicate problemelor de strat-limită și a transferului de căldură în regim supersonic, în ideea de a dezvolta programe de calcul care să rezolve rapid probleme directe și inverse, pentru evaluarea cantitativă, promptă, a soluțiilor tehnice în studiile preliminare.
Contribuția INCAS constă în realizarea unor experimente aerodinamice în regim supersonic, pe modele relevante, care să genereze rezultatele experimentale necesare validării modelelor de calcul numeric. Prin modele relevante se înțelege o sferă, ca geometrie canonică, o geometrie deja industrială, asemănătoare vehiculului de reintrare de tip lifting body IXV al ESA, care trebuie să zboare în 2015, și o prismă pentru undă de șoc oblică.
Instrumentarea acestor modele este în măsură să asigure distribuțiile de presiune și temperatură în planul vertical de simetrie, cu observația că măsurarea temperaturii se realizează la mijlocul grosimii peretelui machetelor, care sunt goale. Dacă măsurarea temperaturii nu arată nimic deosebit, distribuțiile de presiune seamănă remarcabil de bine cu cele calculate numeric, iar vizualizările Schlieren sunt remarcabile din punctul de vedere al rezoluției spațio-temporale, fiind capturate cu o cameră ultrapeformantă, la high-definition și 2.000 cadre/s.
2. Proiectul HYDRA
Scopul proiectului HYDRA este realizarea unui sistem tip barieră termică (TPS), pentru a fi utilizat în aplicații aerospațiale în medii oxidate extreme și având rezistență la temperaturi înalte, precum componentele supuse la temperaturi ridicate ale vehiculelor spațiale pentru reintrarea în atmosferă (ca ARV, 1998), sonde planetare și de explorare.
Conceptul proiectului HYDRA se bazează pe realizarea unui nou scut termic hibrid, bazat pe integrarea de părți externe ablative cu un miez termostructural tip CMC (compozite cu matrice ceramică), iar INCAS a realizat testarea la șoc termic prin răcire de la temperaturi de 1.100 grade Celsius a sistemelor tip barieră termică realizate, pentru a evalua rezistența și comportarea adezivilor dintre cele două componente ale TPS.
3. Dinamica zborului: STAR-Dylarpha
Acest proiect își propunerea conceperea, analiza de dinamică și crearea legilor de comandă a unui vehicul lansator cu decolare și aterizare verticală, integral recuperabil. Optimizarea traiectoriei prin rezolvarea unor probleme inverse clasice constituie o parte esențială a proiectului și este, în mare măsură, realizată. O serie de programe de dinamică/control s-au scris deja pentru diferite etape de zbor.
4. Sănătate structurală: STAR-SHM
Catastrofele spațiale Challenger sau Columbia au ridicat interesul pentru metodele neintruzive de detectare a stării structurilor spațiale, în general alcătuite din piese cu pereți subțiri. Metodele cu antene acustice distribuite și tratarea numerică adecvată a semnalului pot duce la caracterizarea și localizarea instantanee a defectelor apărute în structurile de rezistentă, pentru minimizarea riscului misiunilor spațiale.
Metoda trebuie completată cu o inspecție vizuală, în cazul misiunilor pilotate, în măsură în care este posibil. Traductorii folosiți sunt piezoelectrici, iar specimenele cu fisuri impuse prin tăiere cu laser sunt încercate în condiții relevante pentru aplicațiile spațiale (vid, radiație, temperatură), utilizând camera de încercări mecano-climatice. Dezvoltarea metodei are un caracter de noutate la nivel internațional.
5. Lansatoare: STAR-LALAPH
Proiectul are în vedere realizarea unui studiu preliminar pentru un lansator mic, modular și experimentarea unei machete de tunel aerodinamic. Lansatorul se compune dintr-un booster kerosen-oxigen, cu alimentare sub presiune, cu sau fără aripă, configurabil în 1, 2, 3 și respectiv 4 exemplare.
În configurația 1, lansatorul este aeropurtat de o platformă fără pilot, derivată din două planoare IS-28B2 și propulsată de două motoare RU-19. Utilizarea aceluiași booster pentru toate configurațiile presupune economie de resurse de dezvoltare. Evident, utilizarea într-o treaptă superioară presupune cel puțin alt ajutaj.
Realizarea platformei purtătoare și a unui demonstrator ar putea face obiectul unor proiecte viitoare, cu sprijinul politic adecvat. Macheta de tunel aerodinamic supersonic are o acționare electrică pentru canard, pentru minimizarea numărului de rafale (experimente).
6. Dezvoltare banc probă VINCI – Future Launchers
Prima etapă a proiectului a constat în realizarea unor studii de mecanica fluidelor, transfer de căldură și calcule structurale în ideea de a avansa proiectul preliminar al DLR (Germania) pentru bancul de dezvoltare al motorului criogenic VINCI, care să asigure competitivitatea lansatorului Ariane 5ME și utilizarea cu noul lansator Ariane 6, în ideea de partajare a unor module (boostere și treapta criogenică).
Consorțiul cuprinde INCAS, COMOTI, ELECTROMECANICA Ploiești și STRAERO. A doua etapă constă în realizarea tubului de jet, plus a altor instalații și instalarea lor la bancul de dezvoltare al motorului din locația Lampoldshausen.
7. Avion hipersonic ATTLAS II
Transportul supersonic sau chiar hipersonic al pasagerilor, dar și ambiția de a dispune de un bombardier cu performanțe similare, rămân chestiuni de viitor. Pentru a păstra un minimum de competitivitate în domeniul concepției acestor vehicule, agenția spațială europeană ESA finanțează cu o sumă totuși modestă un paper-plane hipersonic.
Configurația aleasă este de trimotor cu turbo-statoreactoare, care să ofere posibilitatea de operare convențională similară unui airliner. Pentru minimizarea rezistenței la înaintare secțiunea frontală a fuselajului și a gondolelor, se rezumă practic la dispozitivele de admisie ale sistemelor de propulsie.
Propulsoarele pot fi asemănate unor turboreactoare dublu flux cu factor de diluție mare. Ampenajul orizontal este evitat pentru minimizarea expunerii la temperaturi mari a unor suprafețe de comandă articulate suplimentar. Profilul aripii este pur triunghiular.
Contribuția INCAS constă în realizarea unei machete pentru tunelul trisonic și realizarea unei campanii experimentale într-o gamă de regimuri cât mai relevante, mergând până la Mach=3.5, limita tunelului. Dificultățile sunt mari, din cauza imposibilității modelării experimentale a motoarelor, respectiv asigurarea unui debit relevant de aer prin canalizațiile propulsoarelor și datorită scării mari a machetei.
8. D4D – Deorbitation for Demise
Este un proiect relevant pentru rolul atribuit României în cadrul ESA, corespunzător statutului de NMS (New Member State). Curățarea orbitelor joase de debriurile spațiale, constând în sateliți morți, boostere, interfețe de trepte, carenaje aerodinamice este, dacă nu o prioritate, o dorință pe termen lung.
Riscul adus de aceste elemente este major: scenariul filmului „Gravity”, cu toate exagerările sale, nu este cu totul SF. Practic, se dorește în prima fază ca cel puțin boosterele sau treptele inferioare ale lansatoarelor să reintre rapid în atmosferă, să se dezintegreze într-un număr cât mai mic de fragmente și să realizeze o amprentă de impact cât mai mică.
Optimizarea traiectoriei treptelor inferioare ale lansatorului poate fi o metodă de scădere a riscului, prin minimizarea amprentei la sol. Tehnologic, reducerea fragmentării este o altă direcție de studiu.
9. DOC – Demise Observation Capsule
Este un proiect dedicat dezvoltării unor capsule de reintrare care să fie atașate unor trepte din lansator, în ideea de a monitoriza și înregistra procesul de reintrare cu cât mai multe detalii. Scopul este și realizarea unui produs utilizabil, care să devină generalizat.
Contribuția principală a INCAS este de a realiza un studiu de determinare a proprietăților aerodinamice în regim staționar și dinamic a două capsule, una de referință și una ca soluție adoptată. Pe lângă aceasta, se fac simulări ale reintrării cu diferite condiții inițiale, pentru identificarea regimului de curgere/solicitărilor mecanice cu scopul dimensionării robuste a capsulei. Capsulele Stardust sau Hayabusa sunt referințe în acest domeniu.
Oportunități
Promisiunile de finanțare națională se referă la activitățile industriale. Caracterul industriei spațiale este diferit de cel al producției de masă (automobile, de exemplu). Cea mai lungă serie de lansatoare, Soyuz, înseamnă aproximativ 1.800 lansatoare. Acestea au suferit îmbunătățiri permanente în cursul producției, deci nu e vorba de o serie de produse 100% similare.
Pe de altă parte, constelațiile de sateliți de navigație prezintă un exemplu de fabricație în serie, dar cu un număr foarte limitat de exemplare per generație (sub 30). În misiunile spațiale exploratorii putem vorbi, practic, de unicate, a căror dezvoltare este uneori foarte lungă în regimul „de pace” contemporan.
Prin specificul de serie mică, în care ponderea dezvoltării este comparabilă cu ponderea producției, activitățile industriale se pretează profilului INCAS, evident, în parteneriate cu actori industriali.
Direcții dorite de dezvoltare
Orice individ trecut prin sistemul educațional și cultural al ultimului secol visează să parcurgă un drum inițiatic: în cazul nostru, acesta este dat de epopeea spațială pe care a văzut-o în filme și cărți. Suntem educați să facem carieră, istorie, cumva, să fim eroi și să salvăm lumea.
Din păcate, dimensiunile naționale (și morale) nu permit decât contribuții și eroisme locale în contextul european. Nu putem rivaliza cu țările mari răspunzând simetric; prin urmare, realizarea unui lansator și a unor sateliți mari, a unor misiuni spațiale spectaculoase (eventual revoluționare) este mult peste posibilitățile noastre.
Și totuși, se poate aborda problema lansatoarelor mici, în parteneriat cu o entitate care să permită lansarea în siguranță (geopolitică). Se pot avea în vedere sateliți de mici dimensiuni, lansați în configurația piggy-back. Ambițiile eroice în domeniu sunt într-o mică măsură fezabile, dar trebuie abordate de la mic la mare, cu certitudinile oferite de cunoașterea accesibilă public care nu e deloc puțină și care permite realizări semnificative.
Publicul nu trebuie să se aștepte la creații, realizări și misiuni epocale de la instituțiile sau actorii naționali. Nu acum, în prezent. Mult mai util e să reușim să contribuim la proiectele europene în curs, de lansatoare, de comunicații, de misiuni exploratorii mai mult sau mai puțin „deep space”, în ideea că, peste o vreme, vom ajunge să stăpânim o zonă cu aplicare industrială, profitabilă, generatoare de locuri de muncă și cunoaștere, eventual autosustenabilă.
Direcțiile unde putem contribui sunt de testare a unor vehicule sau subansamble spațiale în condiții de vid, de radiație solară simulată și unde se pot investi bani în facilități experimentale noi. Există entuziasm și un proiect preliminar pentru această direcție în departamentul „Sisteme și Mecatronică”. Direcția soft de analiză numerică este iarăși deschisă și există oportunități pentru realizarea de aplicații de analiză rapidă a performanțelor aerodinamice pentru configurațiile de reintrare sau chiar lansatoare pentru a fi integrate în pachete comerciale agreate și dezvoltate prin finanțarea ESA.
La nivel industrial, sunt posibile contracte de fabricație prototipuri pentru piese substitut masic sau/și termic, care să permită calificarea unor vehicule spațiale semnificative din punct de vedere al dimensiunilor, explorării și duratei misiunii.
Tratarea deșeurilor spațiale aduce oportunități interesante în ideea de abordare și capturare a acestora. Identificarea, abordarea, capturarea (folosind imagistică) și parcarea pe orbite slab populate sau arderea prin reintrare a deșeurilor spațiale este o temă de actualitate și, recent, s-a depus o propunere de proiect în care, în parteneriat cu cel mai mare producător de sateliți din Europa, se intenționează să se contribuie la îmbunătățirea algoritmilor de procesare imagini. Pachete soft în lucru la integratorii de sateliți din Europa pentru analiza imaginii deșeurilor spațiale sunt de îmbunătățit și de testat în mediu virtual și laborator.
Numărul de oportunități este remarcabil, depășind posibilitățile de contractare și de realizare a proiectelor. Acesta este cel mai pozitiv aspect din relația cu ESA.
