Progettazione e validazione sperimentale di compositi avanzati per strutture satellitari
Autore
Marco Lapi - Università degli Studi di Roma La Sapienza - [2005-06]
Documenti
Abstract
La comunicazione satellitare rappresenta ormai un’efficiente alternativa ai metodi di comunicazione terrestre, che permette di superare le difficoltà di questi ultimi, risultando flessibile, capillare e, nel caso di grossi volumi di trasmissione, economica.
Affinché però, i satelliti e le sue appendici, tra cui le antenne per telecomunicazione, possano operare nello spazio, è indispensabile la loro sopravvivenza sia alle fasi di lancio e posizionamento, che alle condizioni estreme presenti nel proprio ambiente “vitale”.
La progettazione meccanica e la selezione dei materiali, quindi, giocano un ruolo cruciale nella buona riuscita delle missioni spaziali.
Durante la progettazione meccanica dell’antenna Hot BirdTM 7A è stato incontrato un problema legato alla non sufficiente rigidezza flessionale di uno specifico tipo di componente strutturale dell’antenna stessa, i tubi in materiale composito a matrice polimerica rinforzati con fibre continue di carbonio a modulo ultra elevato.
La presente tesi illustra le modifiche apportate al progetto del materiale composito di tali componenti e i risultati ottenuti durante la loro validazione sperimentale, realizzata con metodi modali, al fine di verificare la bontà delle soluzioni implementate. Queste attività sono state realizzate presso l’azienda “Alcatel Alenia Space” (ex Alenia Spazio). Le strutture delle antenne per satelliti sono prodotte in compositi avanzati al fine di poter ottenere elevate resistenze e rigidezze, necessarie per sopportare i carichi presenti nelle fasi di lancio, mantenendo al contempo la massa limitata, per ridurre i costi legati al lancio stesso. Tali requisiti contrastanti richiedono un’accurata progettazione meccanica e metodi di ottimizzazione strutturale che coinvolgono in primo luogo la selezione dei materiali. Sono stati applicati i criteri di scelta ottima sui materiali impiegati nella realizzazione dei componenti strutturali delle moderne antenne per satelliti. E’ stato quindi ottenuto un panorama ordinato e completo degli indici di merito da tenere in considerazione nella progettazione strutturale degli elementi di un’antenna. La rigidezza flessionale dei tubi è stata incrementata selezionando e implementando una nuova stratificazione del laminato dei tubi. La soluzione è stata verificata per mezzo di prove sperimentali realizzate con metodi di analisi modale. La sperimentazione modale dei tubi in CFRP ha fornito dei risultati numerici per il modulo di elasticità longitudinale del laminato che in un primo momento sono risultati essere in forte disaccordo con le predizioni teoriche effettuate tramite la teoria classica dei laminati piani. Tali discrepanze sono state spiegate introducendo nel modello matematico alcuni fenomeni inizialmente trascurati quali la deformabilità a taglio dei tubi, l’intrusività della misura e l’effettivo contenuto in fibra del laminato e verificando il modello matematico completo con ulteriori prove sperimentali tramite analisi modale operativa.
Affinché però, i satelliti e le sue appendici, tra cui le antenne per telecomunicazione, possano operare nello spazio, è indispensabile la loro sopravvivenza sia alle fasi di lancio e posizionamento, che alle condizioni estreme presenti nel proprio ambiente “vitale”.
La progettazione meccanica e la selezione dei materiali, quindi, giocano un ruolo cruciale nella buona riuscita delle missioni spaziali.
Durante la progettazione meccanica dell’antenna Hot BirdTM 7A è stato incontrato un problema legato alla non sufficiente rigidezza flessionale di uno specifico tipo di componente strutturale dell’antenna stessa, i tubi in materiale composito a matrice polimerica rinforzati con fibre continue di carbonio a modulo ultra elevato.
La presente tesi illustra le modifiche apportate al progetto del materiale composito di tali componenti e i risultati ottenuti durante la loro validazione sperimentale, realizzata con metodi modali, al fine di verificare la bontà delle soluzioni implementate. Queste attività sono state realizzate presso l’azienda “Alcatel Alenia Space” (ex Alenia Spazio). Le strutture delle antenne per satelliti sono prodotte in compositi avanzati al fine di poter ottenere elevate resistenze e rigidezze, necessarie per sopportare i carichi presenti nelle fasi di lancio, mantenendo al contempo la massa limitata, per ridurre i costi legati al lancio stesso. Tali requisiti contrastanti richiedono un’accurata progettazione meccanica e metodi di ottimizzazione strutturale che coinvolgono in primo luogo la selezione dei materiali. Sono stati applicati i criteri di scelta ottima sui materiali impiegati nella realizzazione dei componenti strutturali delle moderne antenne per satelliti. E’ stato quindi ottenuto un panorama ordinato e completo degli indici di merito da tenere in considerazione nella progettazione strutturale degli elementi di un’antenna. La rigidezza flessionale dei tubi è stata incrementata selezionando e implementando una nuova stratificazione del laminato dei tubi. La soluzione è stata verificata per mezzo di prove sperimentali realizzate con metodi di analisi modale. La sperimentazione modale dei tubi in CFRP ha fornito dei risultati numerici per il modulo di elasticità longitudinale del laminato che in un primo momento sono risultati essere in forte disaccordo con le predizioni teoriche effettuate tramite la teoria classica dei laminati piani. Tali discrepanze sono state spiegate introducendo nel modello matematico alcuni fenomeni inizialmente trascurati quali la deformabilità a taglio dei tubi, l’intrusività della misura e l’effettivo contenuto in fibra del laminato e verificando il modello matematico completo con ulteriori prove sperimentali tramite analisi modale operativa.
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