Università di Roma “Tor Vergata” Dipartimento di Ingegneria Industriale NUOVE STRATEGIE PER IL DEORBITING E LA CATTURA DI DETRITI SPAZIALI: DALLO SVILUPPO DI MATERIALI INNOVATIVI E STRUTTURE AUTODISPIEGANTI ALLA SPERIMENTAZIONE ASTRONAUTICA Loredana Santo 1, Fabrizio Quadrini 1, Walter Villadei 1 2 Dipartimento di Ingegneria Industriale, Università di Roma “Tor Vergata”, Via del Politecnico 1, 00133 Rome, Italy 2 Aeronautica Militare, Stato Maggiore Aeronautica, Viale dell’Università ,4, 00185 Rome, Italy Università di Roma “Tor Vergata” Dipartimento di Ingegneria Industriale Outlines 2/15 Introduzione L’ idea dell’ impiego di materiali innovativi per la cattura di detriti spaziali e deorbiting di satelliti Polimeri e Compositi a memoria di forma: proprietà e metodi di fabbricazione Esempi di applicazione di compositi a memoria di forma per strutture autodispieganti Conclusioni e future applicazioni Initial Recovered Università di Roma “Tor Vergata” Dipartimento di Ingegneria Industriale 3/15 Introduzione La problematica dei detriti spaziali e del deorbiting di satelliti è di grande interesse per lo sviluppo di future missioni spaziali. L’elevata quantità di satelliti attivi e fuori uso nella Low Earth Orbit (LEO) rende difatti particolarmente complesso il passaggio di spacecraft per il continuo pericolo di collisioni. Al fine di favorire il deorbitaggio e la cattura di detriti spaziali la comunità internazionale si è attivata da anni alla ricerca di possibili soluzioni tecnologiche innovative. L’impiego di vele solari rappresenta una delle tecnologie promettenti per velocizzare il deorbiting di oggetti nella LEO anche se le vele solari non sono ancora state testate con successo in missioni spaziali e miglioramenti si rendono necessari soprattutto nei sistemi di dispiegamento. Images credit:NASA Università di Roma “Tor Vergata” Dipartimento di Ingegneria Industriale 4/15 Introduzione In tale contesto l’impiego di materiali innovativi può contribuire allo sviluppo di interessanti strutture autodispieganti da utilizzare per cattura di detriti o deorbitaggio. In particolare si propone l’utilizzo di polimeri e compositi a memoria di forma (SMP, SMC), già testati nelle missioni spaziali NASA STS-134 (Maggio 2011) e Russian BION-M1 (Aprile 2013). NASA STS-134 Russian BION-M1 University of Rome “Tor Vergata” 5/15 Department of Mechanical Engineering Polimeri a memoria di forma Capacità di congelare e recuperare una deformazione imposta mediante un ciclo termico Strutture autodispieganti, attuatori, dispositivi biomedicali Vantaggi rispetto alle leghe a memoria di forma (leggerezza, basso costo, elevato recupero della forma) Stress Ciclo Termomeccanico Nuova storage configurazione recupero Strain Temperature University of Rome “Tor Vergata” Department of Mechanical Engineering Schiume polimeriche a memoria di forma 6/15 Riduzione Temperature della resistenza e rigidezza meccanica, aumento della comprimibilità Possibile realizzazione di strutture espandibili ed attuatori leggeri very small volume Packing Recovery rubbery state Tg Initial In Stored Recovered letteratura: Schiume a celle aperte in poliuretano Processi di schiumatura convenzionali (a partire da liquido) glassy state Time University of Rome “Tor Vergata” 7/15 Department of Mechanical Engineering Il processo di schiumatura allo stato solido Nuovo metodo Schiume polimeriche in materiale a celle chiuse con ottime proprietà meccaniche forno Le schiume prodotte con questo metodo mostrano spiccate proprietà di memoria di forma 320°C 8 min compressa Stampo in acciaio 125 MPa Stampo per compattazione polveri schiuma University of Rome “Tor Vergata” 8/15 Department of Mechanical Engineering Schiume polimeriche a memoria di forma Esempio: lamina spessore ~2 mm Initial Stored Recovery University of Rome “Tor Vergata” 9/15 Department of Mechanical Engineering Compositi a memoria di forma Esempio: Tubo in composito a memoria di forma 3 M Scotchkote 206 N CFR SMP Interlayer CFR prepregs (HexPly by Hexcel) 42 wt% epoxy resin content Recovery Università di Roma “Tor Vergata” Dipartimento di Ingegneria Industriale Compositi a memoria di forma con interstrato di SMP 10/15 t = 0.5 mm 32 mm Memory step t=0 Final recovery 14 mm 99.4 N/mm t = 40 s Università di Roma “Tor Vergata” Dipartimento di Ingegneria Industriale Compositi a memoria di forma con interstrato di SMP SMC 120 101.8 Stiffness, N/mm 50 mm SMP layer 35 mm 100 80 60 40 20 t = 1.5 mm t = 0.5 mm CFR Memory step Recovery force evaluation 5.2 0 CFR CFR+SMP Time, s Università di Roma “Tor Vergata” Dipartimento di Ingegneria Industriale Compositi a memoria di forma con interstrato di SMP 12/15 t= 0 t = 30 s t = 60 s Small stiffness t = 90 s t = 120 s Università di Roma “Tor Vergata” Dipartimento di Ingegneria Industriale Compositi a memoria di forma per strutture autodispieganti 13/15 Materiale: prepreg (HexPly® M49/42%/200T2X2/CHS-3K by Hexcel), spessore 0,35mm interstrato di SMP (3M Scotchkote 206 N) Dimensioni sup.: croce 160x160 mm2, cornice 200x200 mm2. Metodo di fabbricazione: hot pressing (by ATS FAAR). Pressione applicata 1.3 MPa, temperatura di stampaggio 150°C, tempo 15 min. Post-cura in forno a 150°C per 1 h. Memorizzazione della forma: La croce è stata fissata su un blocco in poliammide di altezza 100 mm e sezione 20x20 mm2. Temperatura 150°C. Università di Roma “Tor Vergata” Dipartimento di Ingegneria Industriale Compositi a memoria di forma per strutture auto-dispieganti 14/15 University of Rome “Tor Vergata” 15/15 Department of Mechanical Engineering Conclusioni e sviluppi futuri I risultati ottenuti sono molto promettenti mostrando come le strutture in SMC si dispieghino correttamente senza apprezzabile danneggiamento e conservando buone proprietà strutturali. Al fine di applicare tali strutture in ambiente spaziale è però necessario condurre ulteriori studi per valutarne il comportamento in ambiente spaziale sia dal punto di vista di invecchiamento del materiale che del dispiegamento in microgravità, oltre che del dimensionamento delle strutture e per questo solo la sperimentazione astronautica potrà fornire risultati di rilievo.
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