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Progettazione e validazione sperimentale di compositi avanzati per strutture satellitari

La comunicazione satellitare rappresenta ormai un’efficiente alternativa ai metodi di comunicazione terrestre, che permette di superare le difficoltà di questi ultimi, risultando flessibile, capillare e, nel caso di grossi volumi di trasmissione, economica.
Affinché però, i satelliti e le sue appendici, tra cui le antenne per telecomunicazione, possano operare nello spazio, è indispensabile la loro sopravvivenza sia alle fasi di lancio e posizionamento, che alle condizioni estreme presenti nel proprio ambiente “vitale”.
La progettazione meccanica e la selezione dei materiali, quindi, giocano un ruolo cruciale nella buona riuscita delle missioni spaziali.
Durante la progettazione meccanica dell’antenna Hot BirdTM 7A è stato incontrato un problema legato alla non sufficiente rigidezza flessionale di uno specifico tipo di componente strutturale dell’antenna stessa, i tubi in materiale composito a matrice polimerica rinforzati con fibre continue di carbonio a modulo ultra elevato.
La presente tesi illustra le modifiche apportate al progetto del materiale composito di tali componenti e i risultati ottenuti durante la loro validazione sperimentale, realizzata con metodi modali, al fine di verificare la bontà delle soluzioni implementate. Queste attività sono state realizzate presso l’azienda “Alcatel Alenia Space” (ex Alenia Spazio). Le strutture delle antenne per satelliti sono prodotte in compositi avanzati al fine di poter ottenere elevate resistenze e rigidezze, necessarie per sopportare i carichi presenti nelle fasi di lancio, mantenendo al contempo la massa limitata, per ridurre i costi legati al lancio stesso. Tali requisiti contrastanti richiedono un’accurata progettazione meccanica e metodi di ottimizzazione strutturale che coinvolgono in primo luogo la selezione dei materiali. Sono stati applicati i criteri di scelta ottima sui materiali impiegati nella realizzazione dei componenti strutturali delle moderne antenne per satelliti. E’ stato quindi ottenuto un panorama ordinato e completo degli indici di merito da tenere in considerazione nella progettazione strutturale degli elementi di un’antenna. La rigidezza flessionale dei tubi è stata incrementata selezionando e implementando una nuova stratificazione del laminato dei tubi. La soluzione è stata verificata per mezzo di prove sperimentali realizzate con metodi di analisi modale. La sperimentazione modale dei tubi in CFRP ha fornito dei risultati numerici per il modulo di elasticità longitudinale del laminato che in un primo momento sono risultati essere in forte disaccordo con le predizioni teoriche effettuate tramite la teoria classica dei laminati piani. Tali discrepanze sono state spiegate introducendo nel modello matematico alcuni fenomeni inizialmente trascurati quali la deformabilità a taglio dei tubi, l’intrusività della misura e l’effettivo contenuto in fibra del laminato e verificando il modello matematico completo con ulteriori prove sperimentali tramite analisi modale operativa.

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Introduzione 1 INTRODUZIONE La comunicazione satellitare è nata sostanzialmente per sopperire alle difficoltà caratteristiche delle comunicazioni terrestri (cavi, radiofrequenze, ecc). Il sistema satellitare, infatti, non necessitando dell’installazione di infrastrutture fra i punti da collegare ed essendo caratterizzato dall’assenza di ostacoli tra il satellite e gli utenti, risulta più flessibile e capillare dei sistemi tradizionali. Inoltre esso, al crescere del volume di trasmissioni, diviene economicamente conveniente. Per tali benefici e causa l’incessante richiesta di trasferimento dati ed informazioni in volumi sempre più rilevanti e a velocità sempre maggiori, il mondo delle telecomunicazioni civili, in questi ultimi anni, sta conoscendo uno sviluppo inarrestabile. L’osservazione del nostro pianeta dallo spazio, i sistemi di navigazione e posizionamento, le applicazioni militari (difesa, coordinamento, ecc) e scientifiche rappresentano inoltre campi altrettanto importanti e per questo in rapida crescita. Affinché, però, i satelliti e le sue appendici, tra cui le antenne, possano operare nello spazio, è indispensabile la loro sopravvivenza sia alle fasi di lancio e posizionamento, che alle condizioni estreme presenti nel proprio ambiente “vitale”. Per tale ragione, la progettazione meccanica e la selezione dei materiali giocano un ruolo cruciale nella buona riuscita delle missioni spaziali. Il presente elaborato illustra lo svolgimento e i risultati di alcune attività di progettazione e di validazione sperimentale che ho avuto l’opportunità di seguire e realizzare presso l’azienda in cui sono attualmente impiegato, l’Alcatel Alenia Space (ex Alenia Spazio), in qualità di progettista e responsabile meccanico dell’antenna satellitare per telecomunicazioni Hot Bird TM 7A. Tali attività sono state svolte in un arco di tempo di circa dodici mesi. Durante la progettazione meccanica della suddetta antenna, è stato incontrato un problema legato alla non sufficiente rigidezza flessionale di uno specifico tipo di componente strutturale dell’antenna stessa, i tubi in materiale composito a matrice polimerica rinforzati con fibre continue di carbonio a modulo ultra elevato.

Tesi di Laurea

Facoltà: Ingegneria

Autore: Marco Lapi Contatta »

Composta da 373 pagine.

 

Questa tesi ha raggiunto 3062 click dal 30/04/2007.

 

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Disponibile in PDF, la consultazione è esclusivamente in formato digitale.