Compositi e fibre di carbonio: innovazioni in campo aerospaziale

Compositi e fibre di carbonio nell’Aerospace
Dai primi anni 50', periodo che ha sancito l'inizio della cosiddetta 'Corsa allo Spazio' , il cosmo è stato oggetto di studi approfonditi e il progresso scientifico ha consentito all'uomo di mettere piede sulla Luna. I molteplici viaggi spaziali hanno permesso di comprendere meglio lo spazio che, ad oggi, risulta essere un ambiente ricco di materia e aggressivo per un'ampia gamma dei materiali, motivo per cui si ricorre a sperimentazioni con l'obbiettivo mirato di migliorare determinati materiali e di implementare nuove tecnologie in veicoli e strutture spaziali. L'utilizzo di materiali innovativi, dunque, diventa assolutamente necessario e i compositi, in particolare quelli in fibra di carbonio, stanno guadagnando un posto di rilievo nelle applicazioni aerospaziali. Ciò nasce dalla necessità di dover rispettare una varietà di requisiti di progettazione per veicoli e strutture aerospaziali. In questo senso, i compositi vengono sfruttati soprattutto per la loro versatilità e per le loro proprietà, modellabili in funzione alle priorità del progettista.

L'introduzione dei materiali compositi nell'industria aerospaziale è frutto di anni di lavoro e di ricerche e anche la conseguenza di disastri spaziali catastrofici. Già negli anni 60', compositi polimerici e materiali plastici rinforzati furono visti come possibili sostituti di materiali metallici per il loro peso ridotto, anche se con scarso successo. [56] Il continuo impiego di questi materiali ha portato a notevoli miglioramenti e negli ultimi anni i compositi hanno reso più sicuri i viaggi nello spazio, trovando largo impiego negli Space Shuttle, nei moduli ablativi per le stazioni spaziali e in molte strutture spaziali.

Compositi in grafite a matrice epossidica
Già negli anni 70' e 80', per esempio , vennero utilizzati compositi in grafite a matrice epossidica in molte strutture aerospaziali. Studi approfonditi, condotti su questo tipo di materiale, hanno evidenziato notevoli caratteristiche meccaniche, elevata rigidità strutturale rapportata ad un basso peso ed elevata resistenza, unitamente a coefficienti di espansione termica pari o prossimi allo zero. [54]

In particolare, l'uso di compositi in grafite a matrice epossidica è contemplato nelle seguenti strutture e veicoli spaziali:

• Intelsat IV: era un satellite utilizzato per le comunicazioni (Fig 3.1.1 [55]), costruito dalla Ford Aerospace & Communications Corporation. Era formato da un braccio trasversale, formato da un nastro in grafite a matrice epossidica. L'utilizzo di questo particolare materiale rispondeva efficacemente ai requisiti di piccole deformazioni e basso peso. [55]

• Viking: il veicolo spaziale Viking (Fig 3.1.2 [54]), utilizzato nella seconda meta degli anni 70' per le esplorazioni su Marte, era costituito da componenti in materiali in grafite a matrice epossidica, costruiti dalla Ford Motor Company’s Philco Division. L'antenna, dal diametro di 5 ft, era sostanzialmente un pannello sandwich, formato da strati in grafite a matrice epossidica e la struttura honeycomb intermedia era formata da alluminio. Questi pannelli furono applicati sia per i lander, sia per i satelliti (Fig. 3.1.3 [54]). Questi compositi furono utilizzati per rispondere ai requisiti di bassa risposta termica, elevata rigidità strutturale e basso peso.

• Anik: Il satellite canadese Anik (Fig. 3.1.4 [55]) , utilizzato per le comunicazioni, è stato costruito dalla RCA Astro-Electronics e presenta una antenna parabolica dall'altezza di circa 2 m. Le componenti principali dell'antenna sono pannelli sandwich, costituiti da strati di grafite e resine epossidiche, e da un core, la cui struttura honeycomb è in alluminio. Questa specifica configurazione permette al satellite Anik di contenere gli effetti delle radiazioni solari e di ridurre le distorsioni termiche, mantenendo una notevole rigidità strutturale. [55]