L'insegnamento affronta diversi aspetti fondamentali relativi alla fluidodinamica nel volo spaziale. L'obiettivo del corso è fornire agli studenti le conoscenze di base nel settore, approfondendo tematiche complementari e multidisciplinari inerenti al volo spaziale. Verranno descritti i principali strumenti investigativi, di natura modellistico-numerica e sperimentale, presentandoli nel contesto della loro applicazione tecnologica. Il corso si sviluppa in due moduli complementari e integrati: Modulo di aerodinamica del rientro (D. D’Ambrosio) Il modulo si concentra sulla descrizione e l’analisi dei principali fenomeni che caratterizzano l’ingresso di veicoli spaziali in atmosfera planetaria, sia terrestre che extraterrestre. In particolare, viene trattata l’aerodinamica del regime ipersonico ed i relativi effetti aero-termodinamici connessi alle condizioni di alta temperatura che si generano intorno ad un veicolo nella fase di ingresso atmosferico. Le conoscenze così acquisite vengono utilizzate per analizzare l’impatto dei fenomeni aero-termodinamici sulla scelta dei materiali e sul dimensionamento dei sistemi di protezione termica. Modulo di biofluidodinamica e medicina spaziale (S. Scarsoglio) Il modulo è dedicato ai problemi di adattamento della fisiologia umana in ambienti estremi, esaminando più in dettaglio le condizioni di micro- e iper-gravità associate al volo umano spaziale. Particolare attenzione è riservata agli aspetti fluidodinamici legati alle alterazioni della circolazione cardiovascolare e dell'apparato respiratorio, con cenni ai cambiamenti indotti negli altri sistemi/apparati del corpo umano. La trattazione coinvolge dapprima una descrizione qualitativa e fenomenologica del sistema e del suo adattamento, fino ad arrivare ad un’analisi quantitativa in cui l’approccio fisico-ingegneristico è utilizzato per studiare problemi specifici e contromisure.

Il corso intende fornire approfondimenti riguardanti alcune tematiche fluidodinamiche di natura interdisciplinare che interessano il volo spaziale. Agli studenti verrà proposta una panoramica degli strumenti investigativi, di natura modellistico-computazionale e sperimentale, presentandoli nel contesto della loro applicazione tecnologica. Alcuni aspetti salienti delle conoscenze acquisite saranno applicati dal punto di vista numerico, al fine di arricchire la descrizione e la comprensione dei fenomeni fluidodinamici nel volo spaziale.

Si richiede la conoscenza delle equazioni di bilancio della fluidodinamica ed il comportamento dei fluidi nei diversi regimi di moto, e di aver frequentato i corsi di Aerodinamica e Gasdinamica. Sono inoltre necessarie nozioni di base dei metodi numerici e di un linguaggio di programmazione per il calcolo scientifico.

MODULO AERODINAMICA DEL RIENTRO • Introduzione all’aerodinamica in regime ipersonico: definizioni, fenomeni principali e cenni storici. • Richiami sulle onde d’urto ed analisi del comportamento delle onde d’urto ad elevati numeri di Mach e su corpi appuntiti e tozzi • Strato limite cinematico e termico in flussi ad elevato numero di Mach: equazioni approssimate e loro soluzione. Strato limite cinematico e termico lungo la linea di stagnazione: equazioni approssimate e loro soluzione, correlazioni per la valutazione del flusso termico nel punto di stagnazione. Interazioni urto/strato limite. • Effetti di alta temperatura: definizioni e descrizione qualitativa dei principali fenomeni. Richiami sulle miscele gassose. Reazioni chimiche nei gas, calore di reazione, entalpia di formazione, equilibrio chimico, calcolo della composizione di una miscela gassosa in condizioni di equilibrio chimico. Ripartizione dell’energia interna per una specie chimica in fase gassosa ed in una miscela gassosa in condizioni di equilibrio. Miscele gassose in condizioni di non-equilibrio chimico e termico: definizioni, modelli, equazioni di governo e termini di sorgente. • Interazioni fluido/parete: scudi termici riutilizzabili e spendibili, cataliticità di un materiale, materiali ablativi, fenomeni principali nella risposta termica di un materiale ablativo e cenni sulla loro modellizzazione. MODULO BIOFLUIDODINAMICA E MEDICINA SPAZIALE • Introduzione. Fondamenti di fisiologia umana: sistema cardiovascolare e respiratorio in condizioni terrestri standard. Elementi di emodinamica cardiaca e arteriosa • Condizioni "estreme" per l'uomo: stress ed esercizio. Ambienti estremi per l'uomo: terrestre e marino. Ruolo della gravità, quota, profondità e assenza di peso • Caratteristiche dell'ambiente spaziale (micro- e ipergravità, radiazioni, campo magnetico, accelerazioni da rientro, ...) • Alterazioni del sistema cardio-vascolare e respiratorio associati al volo umano spaziale • Cenni alle principali alterazioni degli altri sistemi/apparati del corpo umano: meccanica e dinamica muscolo-scheletrica; sistema neuro-sensoriale e vestibolare; aspetti psico-sociali e comportamentali • Contromisure, gravità artificiale e sistemi di supporto alla vita • Cenni all'attività extra-veicolare (EVA), preparazione al volo e riabilitazione • Esercitazioni: aspetti di emodinamica computazionale. Modello matematico per lo studio del sistema cardio-circolatorio.

Il corso è suddiviso in due moduli: (i) aerotermodinamica del rientro e (ii) biofluidodinamica e medicina spaziale, ciascuno di 30 ore. Il modulo di aerotermodinamica del rientro si articola in 30 ore, di cui circa 22 ore di lezioni sugli aspetti teorici e circa 8 ore di esercitazioni svolte al calcolatore usando strumenti di simulazione numerica sotto la guida del docente. Il modulo di biofluidodinamica e medicina spaziale si articola in 30 ore, di cui circa 22 ore di lezioni riguardanti aspetti teorici, e 8 ore di applicazioni relative all'emodinamica computazionale, svolte al pc sotto la guida del docente.

a) Testo di riferimento per il corso: Dispense/note fornite dai docenti b) Per ulteriori approfondimenti e consultazione: - J. D. Anderson Jr., Hypersonic and High Temperature Gas Dynamics. AIAA Publications, AIAA, Reston, VA, 2000 - H.-C. Gunga, V. Weller von Ahlefeld, H.-J. Appell Coriolano, A. Werner, U. Hoffmann, Cardiovascular System, Red Blood Cells, and Oxygen Transport in Microgravity, Springer, 2016 - H. Planel, Space and Life: An Introduction to Space Biology and Medicine, CRC Press, 2004 - J. C. Buckey Jr., Space Physiology, Oxford University Press, 2006 - G. Clément, Fundamentals of Space Medicine, Springer, 2011

Modalità di esame: Prova orale obbligatoria;

L’esame finale è orale per ciascuno dei due moduli e accerta l’acquisizione della comprensione, delle competenze e delle abilità tecniche attese. Al fine di verificare il raggiungimento degli obiettivi di apprendimento, e quindi l’acquisizione delle conoscenze fondamentali e la capacità di comprensione delle applicazioni tecnologiche, la prova orale verte su argomenti trattati a lezione e durante le esercitazioni. Si richiede agli studenti di redigere e presentare all'esame brevi relazioni sulle esercitazioni svolte, da commentare in fase di discussione orale. Il voto finale (max 30 e lode) è una media delle valutazioni dei due moduli, a condizione che la valutazione di ogni singolo modulo sia sufficiente (18/30).

Modalità di esame: Prova orale obbligatoria;

L’esame finale è orale per ciascuno dei due moduli e accerta l’acquisizione della comprensione, delle competenze e delle abilità tecniche attese. Al fine di verificare il raggiungimento degli obiettivi di apprendimento, e quindi l’acquisizione delle conoscenze fondamentali e la capacità di comprensione delle applicazioni tecnologiche, la prova orale verte su argomenti trattati a lezione e durante le esercitazioni. Si richiede agli studenti di redigere e presentare all'esame brevi relazioni sulle esercitazioni svolte, da commentare in fase di discussione orale. Il voto finale (max 30 e lode) è una media delle valutazioni dei due moduli, a condizione che la valutazione di ogni singolo modulo sia sufficiente (18/30).