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Meccanica del volo spaziale/Strutture per veicoli spaziali
01SRMMT
A.A. 2024/25
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)
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.
Meccanica del volo spaziale/Strutture per veicoli spaziali (Meccanica del volo spaziale)
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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A successful space mission relies on a diverse array of structures, each serving a crucial role. These structures range from engine struts that seamlessly integrate into the body of a launch rocket to intricate sandwich panels employed in large solar sails or protective boxes housing electronics, batteries, and instruments. Their primary function is to ensure the mission's success by safeguarding the systems from the various forces encountered during ground operations, launch, deployment, and on-orbit activities. It is imperative that these structures remain intact, resisting rupture, collapse, or excessive distortion that could compromise the functionality of antennas and sensors. This course offers aerospace engineering students an in-depth understanding of analytical and computational calculus methodologies employed in spacecraft design. A significant portion of the curriculum focuses on exploring mathematical models for analyzing spacecraft structures subjected to static and dynamic loads, including thermal stresses. The fundamentals of nonlinear structural mechanics are thoroughly examined, with specific emphasis placed on deployable mechanisms and inflatable spacecraft. Additionally, the course covers the essentials of multi-body dynamics as applied to space vehicles.
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Ci si aspetta che gli studenti acquisiscano conoscenze 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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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.
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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 be able to deal with the design and the analysis of spacecraft and space mechanisms structures. They will know the main tools for carrying out the structural verification of space vehicles.
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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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Nozioni di base del calcolo strutturale.
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Pre-requirements are basic courses in linear algebra, calculus, and ordinary and partial differential equations.
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Fundamentals of structural mechanics.
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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
Meccanica del volo spaziale/Strutture per veicoli spaziali (Strutture per veicoli spaziali)
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.
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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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Introduction to the design of space structures and mechanisms. Overview of the space environment, lunch and in-orbit loads (e.g., thermal loads, acoustic loads, decompression loads, etc.). Introduction to the finite element method for static and dynamic analyses. Derivation of 1D/2D finite elements with application to laminated structures. Response to thermal loads. Calculation of natural frequencies and mode shapes with mass-spring models and finite elements. Effective modal masses. Static condensation (Guyan method). Craig-Bampton method and dynamic sub-structuring. Response to random vibration and acoustic loads. Details on the analysis of reinforced shell structures. Nonlinear problems in space structures. Material, geometrical and boundary conditions nonlinearities. The Green-Lagrange strain tensor and formulation of the geometrical nonlinear finite element. Overview on resolution methods for nonlinear problems based on a path-following Newton-Raphson algorithm. Mechanics of rigid bodies. Kinematic and dynamic equations of the rigid bodies. Flexible bodies in the multi-body analysis of space mechanisms. Deployable space structures. Manned/Unmanned, inflatable spacecraft.
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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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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).
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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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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).
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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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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.
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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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The course is made of theoretical and lab classes. The latter ones represent a fundamental part of the course. In particular, applications to the different topics specified in the program will be here examined in depth, by using academic and commercial software tools. Furthermore, a class project will be developed on an argument of ESA relevance. This group work will be object of discussion and will be revised with the teacher during the entire course.
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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. 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.
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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 additional material is needed besides the course notes. Interested students can go deeper into the matter with the help of the following texts: E. Carrera, M. Cinefra, “Fondamenti di Meccanica Strutturale per Allievi Ingegneri Aerospaziali”, CLUT. E. Carrera, “Fondamenti sul Calcolo di Strutture a Guscio Rinforzato per Veicoli Aerospaziali”, Levrotto&Bella. T.P. Sarafin, “Spacecraft Structures and Mechanisms”, Space Technology Library. J.J. Wijker, “Spacecraft Structures”, Springer.
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Slides; Dispense; Esercizi; Esercitazioni di laboratorio; Materiale multimediale ; Strumenti di simulazione;
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Lecture slides; Lecture notes; Exercises; Lab exercises; Multimedia materials; Simulation tools;
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Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale obbligatoria;
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Modalità di esame: Prova orale obbligatoria; Elaborato scritto individuale;
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Exam: Written test; Compulsory oral exam;
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Exam: Compulsory oral exam; Individual essay;
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La valutazione si baserà su una prova scritta che consiste in una domanda aperta, a cui seguirà un tradizionale esame orale durante il quale verranno poste al candidato due 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 conoscenze 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 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.
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Exam: Written test; Compulsory oral exam;
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Exam: Compulsory oral exam; Individual essay;
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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.