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Meccanica del volo spaziale/Strutture per veicoli spaziali

01SRMMT

A.A. 2019/20

2019/20

Meccanica del volo spaziale/Strutture per veicoli spaziali (Meccanica del volo spaziale)

Il corso intende fornire agli allievi gli strumenti per comprendere i principali problemi della meccanica del volo spaziale. Ampia parte del corso è dedicata ai fondamenti dell'astrodinamica, con cenni alla meccanica celeste e con particolare attenzione al problema dei due corpi. Verranno inoltre fornite le nozioni di base per il progetto di missioni interplanetarie, con cenni a tutte le fasi della missione come lancio, messa in orbita, cambio di traiettoria, rientro a terra o cattura. Infine verranno trattati i problemi fondamentali legati alla dinamica del volo del satellite inteso come corpo rigido. Verranno svolte esercitazioni pratiche sul calcolo dei parametri orbitali, sulla stima delle perturbazioni orbitali, sul progetto di manovre per la modifica dei parametri orbitali, sul progetto delle manovre lunari e interplanetarie.

Meccanica del volo spaziale/Strutture per veicoli spaziali (Strutture per veicoli spaziali)

L’insegnamento intende fornire metodologie di calcolo analitico e della meccanica computazionale utilizzate in campo spaziale.

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The course should provide the students with an overall comprehension of the basic concepts of space flight mechanics. A wide part of the course is dedicated to the fundamental of astrodynamics, with mention to the historical backgrounds of the celestial body mechanics and particular attention to the two-body orbital mechanics. The course content includes orbit determination, orbital maneuvers, orbital prediction, lunar and interplanetary trajectories, space vehicle performance. Practical applications are presented in form of short examples and more structured and complex tutorials on orbital element determination, ground track visualization, orbital maneuvers, sub-orbital trajectories as well as lunar and interplanetary transfers.

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The course is intended to provide analytical and computational methodologies and tools for space structures analysis.

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Ci si aspetta che gli studenti acquisiscano competenze teoriche e pratiche sui problemi trattati con particolare attenzione ai risvolti ingegneristici della materia. Gli studenti dovrebbero inoltre acquisire la capacità di simulare missioni storiche utilizzando strumenti di progettazione normalmente utilizzati in ambiente industriale (Matlab, Simulink)

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Acquisizione della capacità di affrontare un problema di progetto della struttura e dei suoi elementi e verifica di un veicolo spaziale.

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The students are expected to acquire familiarity with concepts and methods used within the field of space flight mechanics. The students shall acquire capabilities of performing analytical and computer based calculation of orbits and missions, using autonomously developed codes, under the MATLAB/Simulink environment. They should also become familiar with industrial developed codes. At the end of the course, the students should have developed the right skills to address autonomously theoretical and practical subjects related to the proposed program, but not necessarily included, within the state-of-the-art and with particular emphasis to the engineering aspects.

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Students will learn how to deal with design problems and how to handle important tools for verification of spacecraft structures and substructures.

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E’ richiesto che gli studenti abbiano dimestichezza al calcolo matriciale, algebra lineare e calcolo differenziale e che abbiano inoltre nozioni di base di meccanica razionale.

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Conoscenze tipiche dei corsi di strutture.

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Pre-requirements are basic courses in linear algebra, calculus, and ordinary and partial differential equations.

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Basic knowledge from courses of theory of structures.

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Elementi di meccanica celeste: • introduzione al sistema solare • leggi di Keplero, leggi di Newton, legge di gravitazione universale • cenno al problema degli n corpi, problema dei due corpi, equazioni del moto relativo • caratteristiche del campo gravitazionale: conservazione dell'energia meccanica e del momento della quantità di moto, velocità ed accelerazioni • equazione della traiettoria, equazione polare della sezione di conica, similarità tra l'equazione della traiettoria e l'equazione della conica: geometria delle coniche • legame tra energia e momento della quantità di moto e la geometria dell'orbita, problema tempo, velocità cosmiche. Sistemi di riferimento: • sistema eliocentrico • sistema geocentrico • parametri orbitali • sfera celeste: sistema di ascensione retta-declinazione • determinazione dei parametri orbitali a partire da r e v • sistema perifocale • cambio del sistema di riferimento • traccia dell'orbita a terra e cono di visibilità Satelliti artificiali: • orbite geostazionarie, eliosincrone e molnya • perturbazioni e correzioni orbitali • manovre obitali nel piano • manovre orbitali fuori dal piano Traiettorie lunari: • Il problema dei tre corpi ristretto, punti di librazione e superficie di Hill Traiettorie interplanetarie: • approssimazione patch-conics: fase eliocentrica, finestra di lancio, arrivo al pianeta target con cattura e flyby

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Cenni all’ambiente spaziale e ai carichi tipici al lancio ed in orbita. Metodi semplificato per l’analisi delle strutture a guscio rinforzato, Richiami al caso della trave a semiguscio. Risoluzioni di problemi nel caso si usi la approssimazione di semiguscio ideale. Formulazione agli elementi finiti di un elemento finito guscio, applicazione ai laminati ed ai carichi termici ed ai problemi multicampo. Cenni alle strutture intelligenti. Uso di cosidi multicorpo. Problemi non lineari nelle strutture aerospaziali. Formulazione non lineare di un problema strutturale col metodo degli elementi finiti. Risposta dinamica e aeroelastica. Strutture inflatable manned/unmanned. Progetto, analisi e realizzaizione di strutture con di stampa 3D con fibre di diverso materiale e costruzione di elementi strutturale semplici.

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Historical backgrounds in astrodynamics. Celestial body mechanics: • introduction to the Solar System • Kepler's Laws, Newton's Laws of Motion and Universal Gravitation • introduction to the N-Body Problem • the two-body problem: equations of motion • constants of the motion: mechanical energy and angular momentum, velocity and acceleration • the trajectory and conic equations: conic Sections • relating specific mechanical energy and angular momentum to the orbit geometry • the measurement of time • circular and escape velocity, hyperbolic excess speed and cosmic Velocities Reference Frames: • perifocal, heliocentric, geocentric and topocentric system • classical and modified orbital elements • orbital element determination from the satellite position and velocity vectors • coordinate transformation • ground track and ground visibility Artificial Earth satellites: • geostationary, geosynchronous, sun synchronous, polar e molniya orbits • perturbations and orbital corrections • non-coplanar and planar maneuvers Lunar trajectories: • restricted circular three-body problem, Lagrangian libration points, Hill surface Interplanetary trajectories • patched-conic approximation: Earth departure trajectory, arrival to the target planet, planetary escape and capture

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Overview about space environment and launch and orbit loads. Simplified methods for the analysis of reinforced-shell structures. Recall about the semimonocoque beam theory. Solution of problems by means of the ideal semimonocoque approximation. Finite element formulation of shells, application to laminated structures under thermal loads and multifield problems. Overview about smart structures. Use of multibody software Nonlinear problems in aerospace structures. Nonlinear formulation of structural problems by means of the finite element method. Dynamic and aeroelastic response analysis. Manned/unmanned inflatable structures. Design analysis and realization of 3D printed structures by using fibers made by different materials and contrtuction od samples.

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E’ sicuramente utile, se non indispensabile, seguire con continuità lezioni ed esercitazioni, nonostante siano disponibili autorevoli testi didattici di supporto.

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The subject is at the state-of-the-art and is very well addressed in many books for expert engineers and undergraduate students. However the students are strongly encouraged to attend classes regularly and work on tutorials according to the proposed scheduling, as to obtain constant professional tutoring.

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La materia, visto il suo aspetto pratico ed applicativo, si presta allo svolgimento di esercizi per ciascuno degli argomenti trattati. Le esercitazioni occuperanno quindi poco meno della metà del tempo di didattica frontale.

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Le esercitazioni rappresentano una parte fondamentale del corso. Vengo sviluppate applicazioni ai diversi temi indicati nel programma facendo uso di un codice accademico e di codici commerciali. Facendo uso di questi ultimi è sviluppata l’analisi statica, dinamica e di stabilità struttura completa di un veicolo spaziale semplice. Uso di stampante 3D per realizzazione semplice elemeneti strutturali.

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The course has a strong practical approach and the students are constantly guided towards the application of theory to case-study examples. Tutorials are, thus, a very important part of the course. For this reason almost half of the course is dedicated to address, solve and analyze the case-study examples proposed within the tutorials.

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Laboratory classes and training represent a fundamental part of the course. During laboratory classes, the various applications discussed in the theory classes are developed by using an academic code and commercial finite element codes. In particular, by using commercial tools, the students perform static, dynamic and stability analyses of a complete spacecraft. Use of a 3D printing for the constructon of sample structures,

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Testi di riferimento: • Roger R. Bate, Donald D. Mueller, Jerry E. White, Fundamental of Astrodynamics, Dover Publications, Inc. New York, 1971 • Marshall H. Kaplan, Modern Spacecraft Dynamics & Control, John Wiley & Sons, 1976 • J.W. Cornelisse H.F.R. Schoyer & K.F. Wakker, Rocket Propulsion and Spaceflight Dynamics B. Pitman Publishing Ltd

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Non sono richieste nozioni aggiuntive a quanto detto a lezione. Per una parte del corso si farà riferimento al testo seguente: E.Carrera, Fondamenti sul calcolo delle strutture a guscio rinforzate per applicazioni spaziali. Edizione Levrotto e Bella.

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Reference books: • Roger R. Bate, Donald D. Mueller, Jerry E. White, Fundamental of Astrodynamics, Dover Publications, Inc. New York, 1971 • Marshall H. Kaplan, Modern Spacecraft Dynamics & Control, John Wiley & Sons, 1976 • J.W. Cornelisse H.F.R. Schoyer & K.F. Wakker, Rocket Propulsion and Spaceflight Dynamics B. Pitman Publishing Ltd

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No further material apart from that provided in classi is needed. For a limited part of the course, we will utilize the following book as a reference: E.Carrera, Fondamenti sul calcolo delle strutture a guscio rinforzate per applicazioni spaziali. Edizione Levrotto e Bella.

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Modalità di esame: prova orale obbligatoria;

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Modalità di esame: prova orale obbligatoria; progetto di gruppo;

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La valutazione consiste in un tradizionale esame orale durante il quale verranno poste al candidato tre domande per le quali può essere richiesto anche lo svolgimento di brevi calcoli. La discussione della procedura di svolgimento delle esercitazioni contribuiscono alla valutazione finale. Le valutazioni sono espresse in trentesimi e l’esame è superato se la votazione riportata è di almeno 18/30. La valutazione viene fatta considerando a) la correttezza delle risposte, b) la pertinenza delle informazioni fornite, c) la capacità di rispondere in modo chiaro, preciso e razionale, motivando adeguatamente le argomentazioni prodotte. Essendo un corso specialistico di fine percorso, verranno valutate le competenze acquisite a livello ingegneristico nonché la capacità di esposizione secondo successione logica e proprietà di linguaggio.

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L’esame consiste in una prova orale in cui vengono verificate le conoscenze acquisite nel corso delle lezioni e delle esercitazioni. Nel corso del semestre sono fissati alcuni momenti di verifica e valutazione degli elaborati preparati nell’ambito delle esercitazioni. Gli elaborati saranno soggetti a valutazioni distinte e queste andranno a sommarsi al voto di ogni singola domanda della prova orale per la determinazione del voto finale.

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Exam: compulsory oral exam;

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Exam: compulsory oral exam; group project;

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The final test consist in a traditional oral exam during which the students is expected to address with theoretical and practical argumentations three different subjects. Analysis and discussion on the tutorial procedures and results can contributes to the final evaluation. The evaluation is expressed in thirtieths and the exam is passed if the final score is at least 18/30. The assessment is made considering a) the correctness of the answers, b) the relevance of the information provided, c) the ability to respond clearly, precisely and rationally, adequately substantiating the argumentation provided. As this is a specialist course, the final evaluation is strongly affected by the student capability of communicating effectively engineering concepts, using a proper terminology within rational and logical cause-effect relationships.

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The examination consists in an oral test in which the student knowledge about the arguments discussed in the theory and laboratory classes are verified. During the semester, the students will prepare technical reports about the training performed during the laboratory classes. These reports will be systematically verified during the semester and distinct marks will be assigned to each of them. The marks of the reports will be added to the marks of each single question of the oral examination to determine the final mark.



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