Space and astronautical engineering - Ingegneria spaziale e astronautica

Introduzione all’ambiente spaziale; sotto-ambienti e loro effetti sulle strutture; la missione LDEF ed i dati sui materiali; l’ambiente termico e le proprietà termo-ottiche dei materiali; first suface mirrors e second surface mirrors. i Multi layer insulation blancket: Kapton, Mylar e coatings, metodi di assemblaggio e di messa a terra. Effetti degli UV sui materiali polimerici; cerchi di colore. Meccanismi di outgassing: desorbimento, diffusione, decomposizione; relazione semi-empirica della perdita di massa; Test di outgassing secondo normativa ASTM 595 e ECSS_Q70; Contaminazione molecolare ed effetto sulle proprietà termo-ottiche; Equazione semi-empirica dei tempi di permanenza; Effetti sinergici UV ed outgassing; test di outgassing; foto-deposizione. Descrizione dell’ Ambiente neutro: drag aerodinamico; Attacco dell’ossigeno atomico sui materiali; Equazione di erosione; Energia associata all’impatto e sputtering delle particelle; Spacecraft glow. Ambiente plasma: ionosfera e magnetosfera; Charging ed effetti sulle strutture: Elettrostatic discharge, Dielectric breackdown, gaseous arc discharge, riattrazione dei contaminanti; Linee guida alla scelta dei materiali in ambiente neutro e ambiente plasma. Ambiente Micrometeoriti ed orbital debris: fisica dell’impatto ad ipervelocità, morfologia del danno su materiali compositi, metalli, coperte termiche, coatings; criteri di progettazione dei sistemi multi-shock shield: concetto di bumper, stand-off; flexible multi-shock shield; esempi di strutture (Columbus modulus). Ambiente radiazioni: radiazioni nello spazio e loro effetti sulle strutture; tecniche attuali di schermatura. Introduzione ai materiali compositi avanzati. Resine termoindurenti e termoplastiche di uso aerospaziale. Differenze tra termoplastici e termoindurenti: materiale amorfo, cristallino e semicristallino; concetto di temperatura di transizione vetrosa; Curva del modulo elastico-temperatura; Curva Entalpia-Temperatura/Tempo, analisi e controllo della qualità mediante Dynamic Scanning Calorimeter; concetto di polimerizzazione e grado di cura. Concetto di viscosità e dipendenza dal tempo, dalla temperatura e dal grado di cura. Fibre strutturali. Tecnologie di preforming: 2D e 3D braiding, 3D weaving; stitching, binder e tackfier. Equazioni di trasporto per i processi di fabbricazione dei materiali compositi e leggi costitutive: equazione di continuità in mezzo poroso; Equazione di Darcy; Equazione dell’energia per processi isotermi e non isotermi. Permeabilità e metodi sperimentali per la determinazione. Effetti delle fasi di compattazione e di impregnazione sulle proprietà finali delle strutture. Trasformazioni di fase durante i processi di manufacturing. Modello analitico dei processi Liquid Composite Molding. Modello analitico dell’autoclave. Modello analitico del processo di filament winding: strutture geodetiche e non geodetiche. Modello analitico del processo injection molding. Approccio numerico per la simulazione del processo: elementi finiti al volume di controllo e diagramma di Voronoi. Solidi cellulari: struttura e proprietà di foams e aerogel. Foams e aerogel per sistemi aerospaziali. Processi fondamentali e applicazioni. Honeycombs per uso aerospaziale. Strutture con zero-Poisson ratio e negative-Poisson ratio. Cenni di tecniche di Kirigami. Strutture sandwich: tecniche realizzative e difetti di processo; proprietà meccaniche; impieghi in sistemi spaziali. Esperienze di laboratorio

Per affrontare con successo questo corso, lo studente deve possedere conoscenze e competenze di base nei seguenti ambiti: - Meccanica classica: forze, momento, equilibrio, energia e lavoro - Concetti di meccanica dei solidi: stress, strain, modulo elastico, deformazioni - Nozioni di termodinamica di base: energia interna, calore, temperatura, trasferimento di calore - Fondamenti di Chimica dei materiali - Analisi matematica di base: derivata, integrale, equazioni differenziali semplici. - Concetti base di orbite e condizioni ambientali nello spazio - Capacità di lettura e interpretazione di dati sperimentali

- dispense del docente - The Space Environment: Implications for Spacecraft Design by Alan C. Tribble. Princeton University Press, Princenton New Jersey, 2003 - Process Modeling in Composite Manufacturing by Suresh G. Advani and E. Murat Sozer. MARCEL DEKKER, INC. NEW YORK, 2003

La frequenza non è obbligatoria ma è caldamente raccomandata. Se lo studente non segue in classe non può seguire le esperienze di laboratorio.

La valutazione della preparazione dello studente consta di domande orali a risposta aperta che vertono su argomenti trattati nel corso. Le stesse domande possono anche essere fatte per iscritto. La valutazione della prova orale costituisce il 85% della valutazione finale.La valutazione sarà effettuata per ciascun argomento (valutazione in trentesimi): conoscenza minima (valutazione tra 18 e 20); conoscenza media (21-23); capacità di applicare la conoscenza in maniera sufficiente (24-25); buona capacità di applicare la conoscenza (26-28); capacità di applicare la conoscenza in maniera eccellente con buone capacità di comunicazione e senso critico (29-30). Prima dell'esame, entro la data stabilita dal docente, è richiesta la consegna di un elaborato finale riguardante le esperienze numeriche e sperimentali eseguite in laboratorio. Qualora l'elaborato sarà valutato positivamente, inciderà per il 15% sulla valutazione finale.

Per il corso si propone la seguente combinazione: Lezioni frontali (57) - Obiettivo: Introdurre i concetti fondamentali sull’ambiente spaziale, i materiali e i processi di fabbricazione. - Contributo ai risultati di apprendimento: Le lezioni forniscono agli studenti le basi teoriche necessarie per comprendere argomenti avanzati, come la degradazione dei materiali nello spazio, la fabbricazione dei compositi e la selezione dei materiali di un veicolo spaziale in funzione dell'ambiente predominante. Esercitazioni e sessioni di problem-solving (10%) - Obiettivo: Applicare le conoscenze teoriche a problemi specifici e calcoli tecnici. - Contributo ai risultati di apprendimento: Le esercitazioni rinforzano le competenze analitiche e computazionali, ad esempio risolvendo equazioni per i processi di Liquid Composite Molding, valutando il comportamento meccanico dei materiali. Esperienze di laboratorio (23%) - Obiettivo: Fornire esperienza pratica con materiali, strumentazione e metodi di caratterizzazione. - Contributo ai risultati di apprendimento: I laboratori permettono di osservare il comportamento dei materiali in condizioni controllate, analizzare dati sperimentali e comprendere le implicazioni pratiche dei concetti teorici Lavoro di gruppo - Obiettivo: Sviluppare competenze collaborative e affrontare problemi complessi e multidisciplinari. - Contributo ai risultati di apprendimento: Il lavoro di gruppo favorisce l’integrazione delle conoscenze di fisica, chimica, ingegneria dei materiali e processi produttivi, promuovendo pensiero critico e capacità di problem-solving in scenari realistici. Predisposizione di elaborati e relazioni tecniche - Obiettivo: Sviluppare capacità di documentare, analizzare e comunicare efficacemente risultati tecnici. - Contributo ai risultati di apprendimento: La stesura di elaborati migliora le competenze di comunicazione scientifica e permette agli studenti di sintetizzare teoria, dati sperimentali e analisi numeriche in modo strutturato. Coerenza tra metodi didattici e risultati attesi La combinazione di lezioni, esercitazioni, laboratori, lavori di gruppo e elaborati assicura che tutti i risultati di apprendimento siano affrontati in modo sistematico: La comprensione teorica è rinforzata da lezioni ed esercitazioni. Le competenze pratiche si sviluppano attraverso laboratori e esperienze sperimentali. Il pensiero integrato e critico è stimolato dai lavori di gruppo e dagli elaborati. Questo approccio multi-metodo garantisce l’allineamento tra i risultati di apprendimento attesi e le strategie didattiche adottate nel corso.