Obiettivi

Questo settore disciplinare si propone di sviluppare e validare modelli numerici e/o analitici avanzati utili per il design di strutture aerospaziali soggette ad elevati gradienti termici e temperature. Ad esempio, i velivoli di rientro di nuova generazione devono essere in grado di sostenere carichi aerotermici molto elevati senza danneggiamenti; ciò significa che tali strutture devono resistere ad elevate temperature a causa del fenomeno del riscaldamento aerodinamico che si instaura in corrispondenza di regimi di flusso ipersonici tipici dei voli di rientro atmosferico. Anche le camere di combustione di motori a razzo sono caratterizzate da carichi termo-meccanici elevati; l’alternanza di fasi e calde e fasi fredde (accensione e spegnimento del motore) può determinare fenomeni di “thermal racthetting” o di fatica a basso numero di cicli (Low Cylcle Fatigue), che possono portare ad una rottura prematura della camera stessa. Di conseguenza, particolare attenzione deve essere prestata alla modellazione numerica di fenomeni non lineari e dipendenti dalla velocità con cui è applicato il carico che si registrano nelle parti più calde della camera di combustione.

Gli obiettivi principali sono dunque:

progettazione di termostrutture, protezioni termiche e camere di combustione allo scopo di risparmiare peso e migliorare l’affidabilità rispetto alle strutture aerospaziali tradizionali.
progettazione di dispositivi di controllo termico di velivoli spaziali caratterizzati da elevata efficienza termica e basso peso

Temi di ricerca

Analisi e design di termostrutture e protezioni termiche. Negli ultimi anni, all'interno di diversi progetti di ricerca nei quali il laboratorio è stato coinvolto, modelli analitici e numerici sono stati sviluppati e validati allo scopo di simulare il loro comportamento termo-meccanico e per fornire gli strumenti necessari per il design (Figura2.jpg). Inoltre, diversi criteri di resistenza sono stati analizzati ed implementati in codici numerici commerciali per la verifica di resistenza di strutture in materiali ceramici e metallici. Riguardo le protezioni termiche, modelli numerici semplificati sono stati sviluppati allo scopo di ridurre il tempo computazionale necessario per ultimare il design preliminare di tali componenti (Figura3.jpg, Figura4.jpg). Inoltre, sono stati messi a punto modelli numerici per la simulazione di fenomeni ablativi che si registrano quando si utilizzano protezioni termiche ablative.

Analisi di camere di combustione di motori a razzo. Le camere di combustione di motori a razzo sono soggette ad elevate carichi termici e meccanici durante la propria vita operativa (Figura5.jpg). La risposta meccanica di tali strutture non può essere descritta da formulazioni lineari elastiche e da formulazioni "rate –independent", cioè indipendenti dalla velocità con cui viene applicato il carico, in quanto i fenomeni viscoplastici diventano predominanti. Nell'ambito delle attività di simulazione numerica afferenti al laboratorio, si stanno implementando modelli numerici avanzati all'interno di codici commerciali agli elementi finiti allo scopo di calcolare nel modo più realistico possibile il campo di deformazione plastica nella struttura interna della camera di combustione (Figura6.jpg).

Simulazione numerica di sistemi di de-icing elettro-termico ed elettro-meccanico. Il laboratorio sta sviluppando capacità numeriche utili per la progettazione di sistemi di de-icing elettro-termico ed elettro meccanico utilizzati su aeroplani ed elicotteri civili e militari. Nel caso dell'elettro-termico la principale difficoltà di simulazione consiste nel modellare la trasmissione del calore in corrispondenza di fenomeni di cambi di fase solido-liquido e liquido-gassoso.

Analisi e progettazione di dispositivi per il controllo termico di velivoli spaziali. I sistemi di controllo termico di velivoli spaziali hanno la funzione di mantenere le temperature dei componenti del velivolo all'interno di un determinato intervallo di funzionamento. Si stanno conducendo studi approfonditi per mettere a punto modelli analitici e numerici utili per la simulazione del comportamento termico di tali componenti. Tali strumenti saranno poi utilizzati durante la fase di design preliminare del Sistema di controllo termico di un velivolo spaziale. Particolare attenzione si sta rivolgendo allo studio di Heat Pipe e PCM (Phase Change Material) innovativi che permettano di migliorare l'efficienza termica e risparmiare peso.

Attività