Packaging and Deployment of Large Planar Spacecraft Structures

This thesis presents a set of novel methods to biaxially package planar structures by folding and wrapping. The structure is divided into strips connected by folds that can slip during wrapping to accommodate material thickness. These packaging schemes are highly efficient, with theoretical packaging efficiencies approaching 100%. Packaging tests on meter-scale physical models have demonstrated packaging efficiencies of up to 83%. These methods avoid permanent deformation of the structure, allowing an initially flat structure to be deployed to a flat state.

Also presented are structural architectures and deployment schemes that are compatible with these packaging methods. These structural architectures use either in-plane pretension -- suitable for membrane structures -- or out-of-plane bending stiffness to resist loading. Physical models are constructed to realize these structural architectures. The deployment of these types of structures is shown to be controllable and repeatable by conducting experiments on lab-scale models.

These packaging methods, structural architectures, and deployment schemes are applicable to a variety of spacecraft structures such as solar power arrays, solar sails, antenna arrays, and drag sails; they have the potential to enable larger variants of these structures while reducing the packaging volume required. In this thesis, these methods are applied to the preliminary structural design of a space solar power satellite. This deployable spacecraft, measuring 60 m x 60 m, can be packaged into a cylinder measuring 1.5 m in height and 1 m in diameter. It can be deployed to a flat configuration, where it acts as a stiff lightweight support framework for multifunctional tiles that collect sunlight, generate electric power, and transmit it to a ground station on Earth.

Ottimizzazione mediante codici di calcolo open source di componenti per il settore aerospaziale

Lo scopo della presente tesi è sviluppare un ambiente per l'ottimizzazione strutturale di componenti per applicazione aerospaziale utilizzando codici open-source. In particolare, il codice Salome viene utilizzato per il disegno automatico delle strutture, il programma Code Aster permette di effettuare l'analisi agli elementi finiti del componente, mentre Octave viene utilizzato per svolgere l'ottimizzazione basata su un algoritmo euristico e per integrare fra di loro i differenti codici. Le tecniche di ottimizzazione dei componenti stanno rivestendo sempre più importanza visto che le moderne tecniche di Additive Manufacturing permettono di realizzare strutture molto complesse che un tempo non era conveniente (o possibile) realizzare con asportazione di materiale. Nella prima parte della tesi si descrivono gli strumenti software utilizzati e la loro integrazione al fine di parametrizzare la generazione di geometrie ed effettuare in modo automatico analisi strutturali. Successivamente si descrivono tre casi di studio in cui la metodologia è stata sperimentata: un primo caso di validazione in cui si è applicato il metodo alla definizione della geometria di minimo peso per una trave a sbalzo con carico concentrato, un secondo test di ottimizzazione di un longherone per aeromobile, un terzo caso applicativo legato alla ottimizzazione di un serbatoio per fluidi in pressione da utilizzare su un satellite.

Progetto concettuale di un sedile in materiali compositi per veicoli solari

Il seguente elaborato è la conclusione dell'esperienza di tesi volta alla progettazione di componenti, nello specifico sedili e punti di ancoraggio per le cinture di sicurezza, per il cruiser Emilia 4, veicolo solare che gareggerà con le più importanti università mondiali nella 2017 World Solar Challenge in Australia. L'attività compiuta risulta essere il punto di arrivo dell'ottimizzazione strutturale degli elementi, attribuendo fondamentale importanza al peso delle strutture; l'obiettivo è stato raggiunto mediante l'adozione della fibra di carbonio, nel rispetto del regolamento della corsa e delle norme stradali australiane. Gran parte delle attività sono state svolte a Castel San Pietro nell'azienda Metal Tig, impresa specializzata nella lavorazione dei laminati in composito; qui si sono tenute riunioni settimanali per discutere dei progressi del progetto e delle modifiche da apportare. Il lavoro di tesi si conclude con la quarta revisione dei componenti affidatomi: essa probabilmente non sarà la versione definitiva, ma sicuramente sarà un punto di riferimento per i prossimi progettisti impegnati nell'impresa.

Applicazione della tecnica "incremental hole drilling" su materiali compositi

Durante la vita operativa di un aeromobile, gli elementi costitutivi possono essere soggetti a diverse tipologie di carichi. Questi carichi possono provocare la nascita e la propagazione di eventuali cricche, le quali una volta raggiunta una determinata dimensione possono portare alla rottura del componente stesso causando gravi incidenti. A tale proposito, la fatica costituisce uno dei fattori principali di rottura delle strutture aeronautiche. Lo studio e l’applicazione dei principi di fatica sugli aeroplani sono relativamente recenti, in quanto inizialmente gli aerei erano realizzati in tela e legno, un materiale che non soffre di fatica e assorbe le vibrazioni. I materiali aeronautici si sono evoluti nel tempo fino ad arrivare all’impiego dei materiali compositi per la costruzione degli aeromobili, nel 21. secolo. Il legame tra nascita/propagazione delle cricche e le tensioni residue ha portato allo sviluppo di numerose tecniche per la misurazione di queste ultime, con il fine di contrastare il fenomeno di rottura a fatica. Per la misurazione delle tensioni residue nei componenti metallici esistono diverse normative di riferimento, al contrario, per i materiali compositi, la normativa di riferimento è tuttora oggetto di studio. Lo scopo di questa tesi è quello di realizzare una ricerca e studiare dei metodi di riferimento per la misurazione delle tensioni residue nei laminati compositi, tramite l’approfondimento di una tecnica di misurazione delle tensioni residue, denominata Incremental Hole Drilling.

Confronto tra le tecniche XRD e IHD per la misura di tensioni residue

Le rotture a fatica dei componenti sono dovute principalmente alle tensioni di trazione generate da carichi ciclici e variabili nel tempo. Le cricche causate da questo tipo di tensioni possono propagarsi e crescere fino a causare danni catastrofici nel componente. La fatica costituisce uno dei fattori principali di rottura delle strutture aeronautiche; in campo aeronautico sono quindi molto diffusi dei trattamenti superficiali che permettono di indurre tensioni di compressione che contrastano quelle di trazione, in modo tale da ritardare o prevenire le rotture dovute al fenomeno della fatica. Esistono diverse tecniche per raggiungere questo risultato e permettere di prolungare la vita a fatica di un componente metallico, la più nota è sicuramente il Laser Shock Peening (LSP). Nel corso degli ultimi anni la maggior parte delle ricerche condotte rispetto a questa tecnica sono state incentrate sugli effetti meccanici che questo trattamento ha sul materiale in modo da determinare la configurazione ottimale per ottenere una distribuzione delle tensioni il più efficace possibile ai fini della vita a fatica; sono state svolte diverse prove sperimentali per studiare il ruolo dei parametri del laser e ottimizzare la procedura del LSP. Tra le tecniche utilizzate per valutare gli effetti del LSP in termini di tensioni residue, spiccano, oltre ai metodi computazionali, l'X-ray Diffraction (XRD) e l'Incremental Hole Drilling (IHD). L'elaborato di tesi qui presentato ha come scopo il confronto tra i livelli di tensioni residue riscontrate all'interno di provini sottili in lega di alluminio, sottoposti a differenti trattamenti laser, attraverso i suddetti metodi XRD e IHD. I risultati, già noti, ottenuti con la tecnica l'XRD sono stati posti a verifica attraverso dei test svolti con l'IHD presso i laboratori MaSTeRLab della Scuola di Ingegneria dell'Università di Bologna.

Fatigue and Damage Tolerance in Primary Composite Aeronautical Structures

The challenging requirements set on new full composite aeronautical structures are mostly related to the demonstration of damage tolerance capability of their primary structures, required by the airworthiness bodies. And while composite-made structures inherently demonstrate exceptional fatigue properties, when put in real life working conditions, a number of external factors can lead to impact damages thus reducing drastically their fatigue resistance due to fiber delamination, disbonding or breaking. This PhD aims towards contributing to the better understanding of the behavior of the primary composite aeronautical structure after near-edge impacts which are inevitable during the service life of an aircraft. The behavior of CFRP structures after impacts in only one small piece of the big picture which is the certification of CFRP built aircraft, where several other parameters need to be evaluated in order to fulfill the airworthiness requirements. These parameters are also discussed in this PhD thesis in order to give a better understanding of the complex task of CFRP structure certification, in which behavior of the impacted structure plays an important role. An experimental and numerical campaign was carried out in order to determine the level of delamination damage in CFRP specimens after near-edge impacts. By calibrating the numerical model with experimental data, it was possible, for different configurations and energy levels, to predict the extension of a delamination in a CFRP structure and to estimate its residual static strength using a very simple but robust technique. The original contribution of this work to the analysis of CFRP structures is the creation of a model which could be applicable to wide range of thicknesses and stacking sequences of CFRP structures, thus potentially being suitable for industrial application, as well.

Experimental and Numerical Evaluation of Impact Damage Tolerance in composite materials

Composite materials characteristics are highly influenced by foreign objects impacts. My research focused on how a Low Velocity Impact and, therefore, Barely Visible Impact Damages, can reduce carbon/epoxy laminates compressive residual characteristics and which could be an improvement of their impact resistance. Solution was found out in Fibre Metal Laminates. Experimental and numerical analysis were performed on Carbon/Epoxy and Fibre Metal Laminate.

Resonant metamaterials for the control of Rayleigh waves

Since their emergence, locally resonant metamaterials have found several applications for the control of surface waves, from micrometer-sized electronic devices to meter-sized seismic barriers. The interaction between Rayleigh-type surface waves and resonant metamaterials has been investigated through the realization of locally resonant metasurfaces, thin elastic interfaces constituted by a cluster of resonant inclusions or oscillators embedded near the surface of an elastic waveguide. When such resonant metasurfaces are embedded in an elastic homogeneous half-space, they can filter out the propagation of Rayleigh waves, creating low-frequency bandgaps at selected frequencies. In the civil engineering context, heavy resonating masses are needed to extend the bandgap frequency width of locally resonant devices, a requirement that limits their practical implementations. In this dissertation, the wave attenuation capabilities of locally resonant metasurfaces have been enriched by proposing (i) tunable metasurfaces to open large frequency bandgaps with small effective inertia, and by developing (ii) an analytical framework aimed at studying the propagation of Rayleigh waves propagation in deep resonant waveguides. In more detail, inertial amplified resonators are exploited to design advanced metasurfaces with a prescribed static and a tunable dynamic response. The modular design of the tunable metasurfaces allows to shift and enlarge low-frequency spectral bandgaps without modifying the total inertia of the metasurface. Besides, an original dispersion law is derived to study the dispersive properties of Rayleigh waves propagating in thick resonant layers made of sub-wavelength resonators. Accordingly, a deep resonant wave barrier of mechanical resonators embedded inside the soil is designed to impede the propagation of seismic surface waves. Numerical models are developed to confirm the analytical dispersion predictions of the tunable metasurface and resonant layer. Finally, a medium-size scale resonant wave barrier is designed according to the soil stratigraphy of a real geophysical scenario to attenuate ground-borne vibration.

Intelligent Sensor Systems for Structural Health Monitoring Applications

The convergence between the recent developments in sensing technologies, data science, signal processing and advanced modelling has fostered a new paradigm to the Structural Health Monitoring (SHM) of engineered structures, which is the one based on intelligent sensors, i.e., embedded devices capable of stream processing data and/or performing structural inference in a self-contained and near-sensor manner. To efficiently exploit these intelligent sensor units for full-scale structural assessment, a joint effort is required to deal with instrumental aspects related to signal acquisition, conditioning and digitalization, and those pertaining to data management, data analytics and information sharing. In this framework, the main goal of this Thesis is to tackle the multi-faceted nature of the monitoring process, via a full-scale optimization of the hardware and software resources involved by the {SHM} system. The pursuit of this objective has required the investigation of both: i) transversal aspects common to multiple application domains at different abstraction levels (such as knowledge distillation, networking solutions, microsystem {HW} architectures), and ii) the specificities of the monitoring methodologies (vibrations, guided waves, acoustic emission monitoring). The key tools adopted in the proposed monitoring frameworks belong to the embedded signal processing field: namely, graph signal processing, compressed sensing, ARMA System Identification, digital data communication and TinyML.

Application of an equivalent frame model for the analysis of typical Dutch masonry structures

A partire dal 1986, nell’Olanda settentrionale si sta verificando un incremento di fenomeni sismici superficiali di medio-bassa intensità. Siccome la zona è considerata a basso rischio sismico, tali fenomeni sono legati all’estrazione di gas nella regione Groningen situata a nord-est del paese, la quale rappresenta il più grande giacimento d’Europa. Di conseguenza, si sono verificati danni ingenti sulle strutture che sorgono in zona, che di fatto non erano state progettate per resistere a forze orizzontali legate all’accelerazione del suolo. Ricercatori, aziende e università sono stati coinvolti nel progetto di ricerca finalizzato alla valutazione della vulnerabilità sismica delle costruzioni esistenti, in modo da poter avviare interventi di miglioramento o adeguamento sismico. A questo scopo, presso l’università tecnica di Delft sono stati svolti diversi test sperimentali e analitici su murature non rinforzate tipiche olandesi, che rappresentano la tipologia costruttiva più diffusa e si distinguono per la presenza di maschi murari snelli, grandi aperture e inadeguatezza delle connessioni tra gli elementi strutturali. Lo scopo della tesi è verificare l’adeguatezza del modello a telaio equivalente implementato nel software 3Muri per la modellazione di due tipiche case a schiera in muratura non rinforzata. Tali case, precedentemente ricostruite e testate in laboratorio attraverso un’analisi pushover, differiscono per metodologia costruttiva ed i materiali utilizzati.

Nuovo copolimero statistico a base di poli(butilene succinato) biocompatibile e bioriassorbibile da utilizzare nell'ingegneria tissutale del miocardio

Nonostante il forte calo della mortalità per malattie cardiovascolari, tali disfunzioni rappresentano ancora la prima causa di morte in Europa. L’unico vero trattamento è il trapianto di cuore che però presenta diverse complicanze, tra cui la scarsa disponibilità di organi e il rigetto da parte dell’organismo curato. Per superare questi problemi, la ricerca si sta focalizzando sullo studio di nuovi polimeri biocompatibili e biodegradabili, per la realizzazione di strutture porose tridimensionali in grado di supportare la crescita e l’adesione cellulare. Tra i polimeri sintetici sperimentati per questa applicazione, il poli(butilene succinato) (PBS) rappresenta un ottimo candidato. Nonostante i promettenti risultati già ottenuti dal punto di vista di biodegradabilità e biocompatibilità, il PBS presenta però proprietà meccaniche poco adatte all’impiego qui descritto, proprio perché l’applicazione miocardica richiede particolari caratteristiche di modulo di Young (E) e un ritorno elastico comparabile con quello del miocardio naturale. Nella presente Tesi è stato sintetizzato e caratterizzato un nuovo copolimero statistico a base di PBS che presenta proprietà meccaniche funzionali all’MTE (Miocardial Tissue Engineering). In particolare, è stato inserito all’interno della catena polimerica, il neopentil glicole, che ha portato a un aumento della stabilità termica, proprietà di particolare interesse in fase di lavorazione del materiale, e una diminuzione del grado di cristallinità. La ridotta capacità a cristallizzare del copoliestere ha un effetto diretto sulle proprietà funzionali, tra le altre, sulla risposta meccanica e sulla velocità di degradazione idrolitica in ambiente fisiologico. In particolare, i risultati ottenuti hanno evidenziato come la copolimerizzazione abbia determinato una maggiore plasticità del materiale finale insieme a una maggiore velocità di degradazione idrolitica, entrambi spiegabili sulla base del ridotto grado di cristallinità.

Design di nuovi poliesteri a base di polibutilene succinato per la preparazione di scaffold per l’ingegneria tissutale del miocardio: struttura chimica e architettura molecolare come tool efficienti per modulare le proprietà chimico-fisiche

L’ingegneria dei tessuti molli, quali il miocardio, sta sempre più emergendo come approccio alternativo alle terapie tradizionali. In questo ambito, i poliesteri costituiscono una classe di polimeri promettente, poiché le variegate strutture chimiche che li caratterizzano permettono di soddisfare un’ampia gamma di esigenze. Negli ultimi anni, l’attenzione della ricerca si è incentrata sul poli(butilene succinato)(PBS). Il PBS, tuttavia, possiede proprietà meccaniche non ottimali per l’ingegneria dei tessuti molli; inoltre i tempi di degradazione sono lunghi; ciò è dovuto al grado di cristallinità e all’idrofobicità, entrambi elevati. Nell’ottica di migliorare le proprietà non soddisfacenti di tale omopolimero, sono stati sintetizzati e caratterizzati nuovi copoliesteri alifatici a base di PBS biocompatibili e biodegradabili. In particolare, sono stati realizzati un copolimero a blocchi e uno statistico a base di Pripol 1009, un diacido commerciale (Croda), e un copolimero a blocchi a base di neopentil glicole, valutando sia l’effetto del tipo di comonomero introdotto nel PBS (Pripol 1009 vs. neopentil glicole) che quello dell’architettura molecolare (copolimero statistico vs. copolimero multiblocco). I materiali sintetizzati sono stati processati in forma di film attraverso pressofusione e di scaffold tramite elettrofilatura. Oltre alla caratterizzazione molecolare, film e scaffold sono stati sottoposti anche ad analisi termica, diffrattometrica, meccanica e a studi di degradazione idrolitica in condizioni fisiologiche. I risultati ottenuti hanno evidenziato la possibilità di modulare sia le proprietà meccaniche che la velocità di degradazione in condizioni fisiologiche. Tutti i copolimeri, infatti, presentano caratteristiche di elastomeri termoplastici e dei profili di degradazione variabili rispetto all’omopolimero, che li rendono adatti per applicazioni nel campo dell’ingegneria dei tessuti molli.

Studio della riflessione ondosa di mezzi porosi a confronto tramite analisi di laboratorio.

La riflessione ondosa è uno degli effetti idrodinamici che scaturiscono dall'interazione tra la massa d'acqua libera in movimento e la struttura in cui si imbatte, sia essa in un lago, mare od oceano. Studiare un fenomeno aleatorio e dissipativo come questo in maniera solo analitica, non è sufficiente a raggiungere il grado di precisione che ad oggi si richiede alle opere ingegneristiche, pertanto, una buona prassi sperimentale prevede che la teoria venga integrata e sostenuta da test di laboratorio che, grazie alla condizioni al contorno note e controllate, consentono di circoscrivere il problema reale dando modo all'analisi matematica di interpretarlo correttamente, per poi essere in grado di prevenirlo in maniera efficace. Il presente elaborato nasce dal tema attuale dell' "emergenza plastica" nei mari, e lo applica al problema pratico ingegneristico di assorbimento dell'energia ondosa, ovverosia la necessità di ridurre l'altezza d'onda in corrispondenza di bacini portuali, con lo scopo di prevenire la sovrapposizione di onde riflesse più volte dai corpi immersi a distanza ravvicinata, eventualità che, nell'immediato, renderebbe gli attracchi e in genere le operazioni portuali difficilmente praticabili, e, come sarà descritto in maniera più esaustiva nel terzo capitolo, nel lungo termine potrebbe provocare gravi fenomeni di instabilità alle strutture coinvolte. I test di generazione e analisi di riflessione ondosa oggetto di questo studio, sono stati eseguiti nel laboratorio di Ingegneria Idraulica LIDR del Dipartimento di Ingegneria Civile, Ambientale e dei Materiali, DICAM, dell'Università Alma Mater Studiorum di Bologna, utilizzando il canale a sviluppo longitudinale, il quale, grazie alle sue caratteristiche fisico-geometriche, consente di studiare il moto dei fluidi trascurando l'attrito, e, nel caso specifico delle onde, di applicare al moto ondoso le ipotesi di linearità, presentate nel secondo capitolo.

Introduzione alla Teoria Quantistica dei Campi: Spazi di Fock e il modello

La QFT è una teoria nata in ambito fisico per risolvere alcuni problematiche della teoria quantistica delle particelle, dando risultati sorprendenti. Nasce come teoria effettiva a cui fu successivamente necessario dare un rigore matematico. In generale le strutture matematiche teorizzate non risultano adeguate a modellare un ampio spettro di sistemi fisici. Esistono tuttavia dei modelli “giocattolo” perfettamente coerenti per i quali sono stati creati strumenti molto interessanti ed efficaci, come ad esempio gli spazi di Fock. In questa tesi oltre a una presentazione dettagliata degli spazi di Fock verrà descritto un esempio non banale della loro applicazione: il modello interattivo e ristretto ad una sola dimensione spaziale

Biobased Poli (dietilene furanoato) vs Poli (butilene furanoato): effetto degli atomi di ossigeno etereo sulle proprietà finali del materiale

Il presente lavoro di Tesi Magistrale nasce dall’esigenza di trovare soluzioni alle problematiche legate alla produzione e smaltimento delle plastiche, prevalentemente provenienti dal packaging alimentare. Una delle strategie maggiormente utilizzate in alternativa all’accumulo in discarica, è il riciclo. Questa soluzione ha però alcuni limiti: basse performance rispetto al materiale vergine e costi di processo troppo elevati a causa dei problemi di contaminazione e delle strutture multistrato. Alla luce di ciò, la ricerca scientifica si è orientata verso nuovi approcci come la sintesi di bioplastiche compostabili. Il poli(butilene furanoato) (PBF), è un buon candidato come materiale plastico per il packaging alimentare, ma possiede scarse caratteristiche di biodegradabilità e proprietà meccaniche non adeguate all’imballaggio flessibile. Per superare tali limitazioni, è stata messa a punto la sintesi di un nuovo poliestere, il poli(dietilene furanoato) (PDEF), un polimero biobased che si differenzia dal PBF per la presenza di un atomo di ossigeno etereo nella sub-unità glicolica. I due polimeri sono stati sottoposti ad una completa caratterizzazione chimico-fisica, con lo scopo di valutare l’effetto dell’introduzione di ossigeni eterei lungo la catena polimerica sulle proprietà finali del materiale. Oltre alla caratterizzazione molecolare e strutturale, è stato studiato anche il comportamento termico, la risposta meccanica e la permeabilità a diversi tipi di gas oltre che le caratteristiche di compostabilità. I risultati ottenuti hanno mostrato come nel PDEF vi sia un netto miglioramento delle proprietà non idonee per applicazioni nel packaging flessibile del PBF, in particolare quelle meccaniche, insieme a un ulteriore potenziamento delle già buone proprietà barriera. Inoltre, aspetto di fondamentale importanza nell’ottica della realizzazione di un materiale ecosostenibile, il PDEF mostra una velocità di degradazione in compost eccezionalmente elevata.