Space and astronautical engineering - Ingegneria spaziale e astronautica

TECHNOLOGY OF AEROSPACE MATERIALS

Obiettivi formativi

I materiali utilizzati nelle applicazioni aerospaziali devono soddisfare particolari requisiti di prestazione estendendo le limitazioni di progettazione dei convenzionali materiali ingegneristici e la domanda di design e considerando prodotti più efficaci dal punto di vista dell'efficienza energetica, delle prestazioni durante il ciclo di vita e della sostenibilità ambientale (impiego di materiali riutilizzabili e/o riciclabili). In questo contesto, rientra lo sviluppo di processi di manufacturing in situ in ambiente planetario (Luna e Marte) basati su risorse locali per limitare il trasporto da Terra e il relativo impiego di risorse non rinnovabili. L'obiettivo del corso è quello di illustrare agli studenti tutti gli aspetti dei materiali, delle tecnologie e dei processi e il loro uso nel campo aerospaziale, anche nell’ottica della sostenibilità e dell’economia circolare nello spazio. Gli studenti svilupperanno la conoscenza della tecnologia dei materiali aerospaziali in relazione alla progettazione, all’analisi e al testing. Particolare rilievo sarà dato alle applicazioni pratiche e alla ricerca in corso. Il corso comprenderà una breve sezione di laboratorio, in cui gli studenti fabbricheranno e testeranno una semplice struttura in materiale composito avanzato.

Canale 1

SUSANNA LAURENZI Scheda docente

Programmi - Frequenza - Esami

Programma

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; 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; 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; 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: manufacturing: proprietà meccaniche; impieghi in sistemi spaziali. Introduzione al concetto di nanotecnologia. Descrizione dei vari tipi di nanomateriali per applicazioni aerospaziali. Funzionalizzazione dei nanotubi di carbonio (CNTs): metodi covalenti e non covalenti. Polimeri rinforzati con CNTs e grafene: fabbricazione di materiali nanocompositi, effetti di nanofillers su aspetti di processo (dispersione, reologia, cinetica). Nuovi materiali per missioni interplanetarie. Relazioni tra struttura-processo-prestazioni: la progettazione strutturale. Caratterizzazione meccanica ed ambientale di materiali e strutture aerospaziali. Esperienze di laboratorio

Prerequisiti

conoscenza di base del campo aerospaziale tipicamente acquisito dallo studente nel corso del primo anno di magistrale in ingegneria aerospaziale

Testi di riferimento

- 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

Frequenza

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

Modalità di esame

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.