Una missione spaziale impiega una grande varietà di strutture, dai massicci supporti motore collocati all’interno del corpo di un lanciatore a razzo ai delicati pannelli sandwich che compongono le vele solari o le scatole protettive che ospitano l’elettronica, le batterie e la strumentazione. Il compito delle strutture è garantire il successo della missione e proteggere i sistemi dai carichi durante le operazioni a terra e in orbita, durante il lancio e il dispiegamento senza subire rotture, collassi o distorsioni eccessive che possano ad esempio compromettere la funzionalità delle antenne e dei sensori. In questo contesto, l’insegnamento di Strutture per Veicoli spaziali intende fornire metodologie di calcolo analitico e della meccanica computazionale utilizzate in campo spaziale. Ampia parte dell'insegnamento è dedicata allo studio di modelli matematici per la caratterizzazione delle strutture spaziali soggette a carichi meccanici e di campo, statici e dinamici. Verranno approfonditi i problemi non-lineari del calcolo strutturale, con particolare attenzione alle strutture dispiegabili e gonfiabili. Infine, si forniranno elementi di calcolo per l’analisi dinamica multi-corpo di meccanismi e veicoli spaziali.

Al termine dell’insegnamento gli studenti saranno in grado di: • Conoscere e comprendere la classificazione delle strutture spaziali, dei materiali di cui queste sono composte e dei i carichi derivanti dall’ambiente spaziale; • Conoscere e comprendere i modelli matematici per studiare strutture soggette a carichi meccanici e multi-campo, in regime statico e dinamico, lineare e non lineare; • Conoscere e comprendere gli strumenti di calcolo per la verifica di un veicolo spaziale; • Applicare le conoscenze acquisite per affrontare un problema di progetto della struttura spaziale e dei suoi elementi.

Nozioni di base del calcolo strutturale.

L’insegnamento è organizzato in 3 moduli: Modulo I (20h) - Introduzione al progetto di strutture e ai meccanismi spaziali. Cenni all’ambiente spaziale e ai carichi tipici al lancio ed in orbita (es. carichi termici, acustici, carichi da decompressione, etc.). Elementi di dinamica. Frequenze naturali e modi propri di vibrare. Metodi di sovrapposizione modale. Masse modali effettive. Metodo di condensazione statica (Guyan). Metodo di Craig-Bampton e sub-structuring dinamico. Risposta a vibrazioni randomiche e risposta a carichi acustici. Modulo II (25h) - Introduzione ai sistemi continui e agli elementi finiti per analisi statiche e dinamiche. Formulazione dell’elemento finito 1D/2D, approfondimento su piastre e gusci; applicazione ai laminati. Risposta elastica ai carichi termici. Problemi non lineari nelle strutture spaziali. Non-linearità fisiche, geometriche e di contorno. Il tensore di deformazione di Green-Lagrange e formulazione dell’elemento finito geometrico non-lineare. Cenni a metodi tipo Newton-Raphson e path-following per la risoluzione di problemi non-lineari. Strutture spaziali dispiegabili (tape springs, TRAC booms, etc.). Modulo III (15h) - Meccanica dei corpi rigidi. Equazioni cinematiche e dinamica dei corpi rigidi. Corpi deformabili nell’analisi multi-corpo dei meccanismi spaziali. Meccanismi di dispiegamento. Strutture inflatable manned/unmanned.

Per ulteriori approfondimenti su tematiche affini o complementari si rimanda ad altri corsi. Ad esempio: dinamica e vibrazioni (Aeroelasticità), analisi FEM e strutture a guscio rinforzato (Strutture Aeronautiche); instabilità strutturale e progetto a fatica (Progettazione di Veicoli Aerospaziali); materiali e strutture in composito (Strutture Aeronautiche & Progettazione e Fabbricazione Additiva per Applicazioni Aerospaziali).

L’insegnamento comprende lezioni teoriche (33h), esercitazioni in aula (18h) ed esercitazioni in laboratorio (9h). Le esercitazioni in aula mirano a consolidare gli argomenti trattati a lezione. Saranno affrontati esercizi numerici su caratteristiche dinamiche di sistemi semplificati lanciatore-carico pagante, calcolo preliminare dei carichi da lancio, risposta vibro-acustica e risoluzione di problemi non lineari (elastica). L’attività di laboratorio permette di sperimentare l’uso di software per analisi non lineari agli elementi finiti e per la dinamica multi-corpo. Gli studenti dovranno preparare delle relazioni individuali relative alle esercitazioni in aula e in laboratorio. Le esercitazioni verranno consegnate all’esame e contribuiranno al voto finale.

Non sono richieste nozioni aggiuntive a quanto detto a lezione. Alcuni argomenti possono essere approfonditi nei seguenti testi: • E. Carrera, M. Cinefra, A. Pagani “Fondamenti di Teoria dell’Elasticità e delle Strutture”, AIDAA Educational Series. • T.P. Sarafin, “Spacecraft Structures and Mechanisms”, Space Technology Library. • J.J. Wijker, “Spacecraft Structures”, Springer.

Slides; Dispense; Esercizi; Esercitazioni di laboratorio; Materiale multimediale ; Strumenti di simulazione;

Modalità di esame: Prova orale obbligatoria; Elaborato scritto individuale;

Exam: Compulsory oral exam; Individual essay;

... L'esame consiste in una prova orale che valuta le conoscenze acquisite durante il corso e le esercitazioni. La durata prevista per la prova orale sarà di circa 30-45 minuti e comprenderà 3-4 domande. Almeno una di queste domande riguarderà i contenuti e la valutazione dell'elaborato scritto individuale, il cui contributo nella formulazione del voto finale avrà lo stesso peso delle altre domande. Le valutazioni verranno espresse in trentesimi e l'esame sarà considerato superato se il voto ottenuto sarà almeno 18/30. I criteri di valutazione riguardano il raggiungimento degli obiettivi seguenti (coerenti con i risultati di apprendimento attesi sopra dichiarati): 1. Conoscenza dell'ambiente operativo e degli strumenti di calcolo per la verifica delle strutture e dei meccanismi spaziali. 2. Utilizzare software di simulazione per condurre analisi strutturali avanzate e valutare il comportamento delle strutture spaziali sotto diverse condizioni di carico. 3. Capacità di identificare e risolvere problemi di progettazione e analisi delle strutture spaziali. 4. Capacità di applicare le conoscenze acquisite durante l'insegnamento e le esercitazioni a problemi di interesse pratico. 5. Comunicare in modo chiaro e accurato i risultati delle analisi strutturali, sia in forma scritta che orale, utilizzando terminologia tecnica appropriata.

Gli studenti e le studentesse con disabilità o con Disturbi Specifici di Apprendimento (DSA), oltre alla segnalazione tramite procedura informatizzata, sono invitati a comunicare anche direttamente al/la docente titolare dell'insegnamento, con un preavviso non inferiore ad una settimana dall'avvio della sessione d'esame, gli strumenti compensativi concordati con l'Unità Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione più idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.