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Verso veicoli riutilizzabili per lo spazio
Ridurre i costi di accesso allo Spazio grazie all’utilizzo di veicoli spaziali riutilizzabili è uno degli obiettivi del progetto AM3aC2A (Approccio Multiscala per la Modellazione di Materiali CMC e UHTCMC per Componenti Riutilizzabili per l’Aerospazio) che con un percorso di oltre tre anni di ricerca ha compiuto passi significativi per lo sviluppo di veicoli in grado di effettuare in sicurezza missioni spaziali multiple senza aver bisogno di sofisticate misure di ispezione e manutenzione.
AMACA ha definito metodi sperimentali e numerici per lo sviluppo di termostrutture in compositi ceramici (fibra di carbonio in matrice ceramica), in grado di resistere a elevate temperature (1000°C÷2000°C), cioè nelle condizioni tipiche del rientro da missioni spaziali, del volo ipersonico e degli apparati propulsivi.
I materiali analizzati consentono di realizzare oggi, strutture leggere, di grande rigidezza, con caratteristiche di tolleranza al danno estremamente superiori a quelli delle comuni ceramiche.
Il progetto AMACA è stato finanziato dall’Agenzia Spaziale Italiana (ASI) ed è congiunto tra Politecnico di Milano - Dipartimento di Scienze e Tecnologie Aerospaziale; CIRA, Centro Italiano di Ricerche Aerospaziali; ISSMC, Istituto di Scienza, Tecnologia e Sostenibilità per lo sviluppo dei Materiali Ceramici del CNR e da Petroceramics S.p.A.
AMACA ha caratterizzato, modellato e sottoposto a prove in ambiente di simulazione della fase di rientro ipersonico, numerosi provini ed elementi strutturali, presso i laboratori del CIRA e dell’Università Federico II di Napoli.
Il progetto ha migliorato la comprensione, mediante un’intensa campagna di prove sperimentali, dei meccanismi di danno e rottura, che possono pregiudicare l’integrità delle strutture, e messo a punto gli strumenti per prevederli, attraverso modelli digitali che consentono di eseguire prove virtuali in condizioni equivalenti a quelle operative. Grazie a tali strumenti, le strutture potranno essere progettate per garantirne la sicurezza anche in presenza di danni, originati dagli sforzi di origine termica e meccanica nelle fasi più critiche delle missioni, come il rientro in atmosfera. AMACA, quindi, ha raggiunto risultati significativi per estendere una filosofia di progettazione basata sulla tolleranza al danno, oramai comunemente adottata nelle costruzioni aeronautiche, alle strutture di veicoli spaziali riutilizzabili realizzati con materiali innovativi.
Sono stati raggiunti importanti risultati nello studio degli effetti degli sforzi termici nel comportamento dei materiali e della delaminazione dei laminati. È stata studiata anche la tolleranza ai danni provocati da impatti e da ossidazioni tramite l’utilizzo di protocolli sperimentali e valutando le prestazioni degli elementi dopo l’esposizione nelle gallerie al plasma del CIRA, fra le più avanzate a livello mondiale.
I risultati, quindi, confermano che questi materiali forniscono la concreta possibilità di sviluppare termostrutture aerospaziali leggere e tolleranti al danno e rendono disponibili i modelli digitali dei materiali in grado di supportarne la progettazione riducendo i costi di sviluppo ed aumentandone la sicurezza.
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