Un materiale innovativo per le strutture spaziali e per la progettazione di habitat

 

 

Giacomo Frulla1, Enrico Cestino1, Federico Cumino2, Alessio Piccolo3, Nicola Giulietti4, Eugenio Fossat4, Ehsan Kharrazi5 

1 DIMEAS, Politecnico di Torino
2 Aerospace Consultant, Torino
3 DIMA, Facoltà di Ingegneria, Università degli Studi di Roma La Sapienza, Roma
4 Composite Research s.r.l. (Co.Re), Torino
5 Aerospace Consultant, Torino

 

Articolo completo: DOI [10.1108/AEAT-06-2022-0170]

Il concetto di spazio come luogo inaccessibile, ad eccezione di poche persone, sta rapidamente cambiando, e l’idea di viaggi commerciali e del turismo spaziale stanno prendendo piede con i loro aspetti positivi e negativi. Il costo della missione e l’ostile ambiente spaziale sono i maggiori ostacoli da affrontare, tuttavia, un habitat leggero e dispiegabile potrebbe essere il primo passo per rendere questa nuova era di esplorazione spaziale una possibile opportunità. […]  Numerosi tipi di habitat sono stati presentati nella letteratura per i prossimi insediamenti lunari e marziani. […] Considerando il design strutturale, un tentativo di classificazione indica: struttura rigida, struttura gonfiabile e posizionabile, strutture basate sull’utilizzo delle risorse in situ (ISRU).

[…] i termini “gonfiabile” e “dispiegabile” non hanno un uso codificato nella letteratura di genere:

  • il termine “gonfiabile” viene preferibilmente usato per  descrivere i materiali morbidi e pieghevoli che sono simili ad un palloncino
  • mentre il termine “dispiegabile” viene usato per le componenti rigide ma riponibili […]

Le strutture gonfiabili sono progettate facendo uso di tessuti o di membrane includendo gli elementi strutturali primari esterni e le componenti interne fatte in alluminio o in composito. La pressione all’interno dei gonfiabili è una componente fondamentale per mantenere la loro forma operativa sotto carico e il volume limitato ottenuto attraverso una configurazione ripiegata al momento del lancio è di grande interesse per le missioni spaziali.

[…] una utile risorsa in situ è la regolite: una coltre di depositi superficiali non consolidati, liberi, eterogenei che coprono la roccia solida. Essa comprende polvere, rocce frammentate e altri materiali correlati presenti sulla Terra, Luna, Marte, alcuni asteroidi e altri pianeti rocciosi e lune. […] Nelle sezioni seguenti è stato proposto un habitat leggero e dispiegabile come possibile applicazione di un materiale innovativo che garantisce missioni di lunga durata sulla superficie lunare/planetaria. Una nuova innovativa configurazione a sandwich (MadFlex) è stata proposta da Composite Research s.r.l. Co. Re (2020) per far fronte alle esigenze di buona resistenza e proprietà pieghevoli richieste da questo tipo di sistema strutturale e come applicazione alternativa in “Gili e Frulla” (2016). Il MadFlex è stato progettato per essere indeformabile se caricato su un lato e flessibile, anche arrotolabile, se caricato sull’altro lato mediante la selezione del giusto materiale per le facce del sandwich. Questa combinazione ha dimostrato di essere davvero interessante nella progettazione di habitat dispiegabili.

 

Requisiti generali e configurazione preliminare dell’habitat

Le esigenze fisiche e psicologiche dell’uomo in un ambiente confinato devono essere bilanciate con i limiti fisici di una struttura pneumatica […]. Questi fattori possono essere riassunti come segue: volume abitabile per persona escluso il volume occupato da attrezzature e altri oggetti, altezza dell’habitat, superficie totale per persona. […] La definizione preliminare della forma dell’habitat può essere valutata assumendo una configurazione dispiegabile.

La geometria esterna e interna del modulo accoppiato con il materiale scelto per la struttura primaria consente il processo di piegatura e distribuzione con la capacità di sopportare la copertura di regolite e ridurre al minimo la massa strutturale. L’ampia applicazione del MadFlex […] ha dimostrato empiricamente due configurazioni più convenienti per gli habitat dispiegabili: cilindro (fig.1) e cupola (fig.2).

 

Caratterizzazione e proprietà innovative dei materiali

L’innovativo materiale MadFlex creato da Composite Research (Co.Re.) è una struttura simile a un sandwich con proprietà di rigidità duale quando viene caricato lungo un lato o lungo il lato opposto con interessanti proprietà di piegatura, come sottolineato nella figura 3.

Fig.3: Vista in sezione di MadFlex in configurazione pieghevole

 

Lo strato rigido (n.1 in fig.3) è comunemente realizzato con laminati di carbonio, vetro o fibre aramidiche mentre le fibre di polietilene ad alta densità Dyneema sono utilizzate per quella flessibile […]. Rispetto allo schema convenzionale in alluminio è stata dimostrata una risposta di rigidità simile ma con un risparmio di peso di circa quattro volte.

[…] Un modello FEM numerico […] è stato preparato per studiare il comportamento di rigidezza preliminare del MadFlex e confrontarlo con uno analitico/ sperimentale. […]

Lo strato flessibile è descritto come un materialeequivalente quasi-isotropo” […] con caratteristiche non lineari (bi-modulo) […], mentre lo strato rigido è invece costituito da un laminato in fibra di carbonio [0° /90°] […] con analoghe prestazioni di tensione-compressione […].

Infine, la schiuma del nucleo è stata modellizzata come un materiale elastico “isotropo equivalente” […]. Lo schema di carico e lo schema delle condizioni ai bordi è stato specificato […] facendo riferimento alla “prova di flessione a quattro punti” secondo l’ASTM D7250/ D7250M (2011) […]. Una modellazione 2D agli elementi finiti è stata considerata per le facce sottili mentre elementi 3D sono stati considerati per il nucleo.

 

Configurazione proposta per l’habitat lunare e marziano

Secondo i requisiti di progettazione iniziali […] sia il caso dello scudo regolitico esterno che l’inclusione della pressione interna sono valutati numericamente e discussi. La configurazione selezionata deve sopportare lo scudo di copertura in regolite anche in situazioni di emergenza/guasto o in mancanza di pressione interna. In condizioni di funzionamento “normali” viene ipotizzata una pressione interna di circa 1 atm, che si somma alla pressione esterna della regolite. L’architettura cilindrica proposta o quella a forma di cupola sono state realizzate seguendo un concetto modulare simile: una combinazione di archi strutturali interni collegati da un involucro flessibile. Un massivo utilizzo del MadFlex è stato considerato per gli archi a seguito delle sue proprietà specifiche (resistenza e capacità di piegatura) come precedentemente presentato. Per l’involucro di collegamento si possono invece introdurre un tessuto flessibile in Dyneema o il MadFlex specifico.

Il design del modulo a forma di cupola è stato selezionato come caso di studio rappresentativo. È composta da otto arcate costituite da elementi strutturali in sandwich MadFlex, intervallati da un involucro in Dyneema stratificato. Gli archi sono collegati da cerniere con il pavimento e la piastra superiore di collegamento per facilitare le sue caratteristiche di piegatura. Lo schema strutturale e le condizioni di carico sono presentati nella figura 4 con i dettagli specifici di configurazione.

 

Fig.4 (a) struttura interna della “Cupola MadFlex”; (b) struttura interna della “Cupola MadFlex” con carico di regolite; (c) struttura completa a multi-arco come in Piccolo (2021)

 

 

Le figure 5 (a) e (b) mostrano dislocamenti della struttura a cupola in condizioni operative di emergenza. Il carico di regolite agisce da solo in caso di emergenza con massimi dislocamenti di circa 153 mm nell’involucro.

Fig.5: Risultati della Cupola MadFlex

 

[…] La valutazione delle condizioni critiche sotto carico e il fenomeno del raggrinzimento completano questa fase preliminare di progettazione. I corrugamenti dello strato di carbonio forniscono un valore di stress di circa 490 Mpa che è inferiore al carico di compressione applicato. Il tipico fattore di buckling globale secondo SOL105 è stato risolto a circa 1,22 con una forma di buckling secondo la figura 5 (c): nessuna condizione di buckling all’interno dell’involucro è stata dimostrata (Piccolo, 2021). Sono state determinate le proprietà di piegatura e la forma ripiegata.

La possibilità di ridurne il volume è data dal fatto che i semiarchi della cupola sono collegati agli elementi del pavimento mediante cerniere ed il corretto posizionamento della pelle Dyneema nel MadFlex migliora la piega in curvatura degli archi. La procedura di chiusura avviene portando il pavimento verso l’interno e le semiarcate quasi si toccano l’una con l’altra senza produrre rotture.

La figura 5 (d) riporta un passo nell’operazione di piegatura: il raggio della struttura chiusa è circa la metà del raggio di quella espansa, portando ad una significativa diminuzione del volume richiesto che così può essere facilmente immagazzinato all’interno vano cargo al momento del lancio. È stato determinato un peso di circa 570 kg che dimostra la sua consistenza al requisito al momento del lancio per un tipico lanciatore come il SLS block1B. Tutto ciò a dimostrare la fattibilità della configurazione proposta.

 

Conclusione

È stata effettuata una valutazione preliminare di un materiale innovativo per la progettazione di habitat. […] La configurazione selezionata si è dimostrata idonea a far fronte ai requisiti di progettazione rivelando una deformazione massima della cupola inferiore a 155 mm in condizioni operative critiche senza raggiungere una situazione di forma critica.

Dimostra inoltre di essere coerente con il requisito di peso di circa 570 kg come riferito ai dati effettivi del lanciatore SLS. […] Il materiale innovativo proposto può essere considerato come uno dei principali candidati da selezionare per la progettazione di un habitat spaziale e per le missioni spaziali.

 


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