Prof. Luigi Puccinelli IMPIANTI E SISTEMI AEROSPAZIALI SISTEMI SPAZIALI PROBLEMI INGEGNERIA SPAZIALE 2 Dinamica Meccanica del volo spaziale Sistemi di propulsione Rientro atmosferico Strutture Controllo di assetto Sistemi di generazione di potenza elettrica Controllo termico Telecomunicazioni Telemetria Controllo da terra Compatibilità elettromagnetica Affidabilità Sistemi spaziali 3 DINAMICA • Studio del moto del veicolo considerato come corpo rigido • Traslazione e rotazione possono essere considerate separatamente • Il moto del baricentro è rilevante ai fini della determinazione della traiettoria o orbita • Le rotazioni attorno al baricentro sono rilevanti per quando riguarda l’assetto • Si hanno veicoli stabilizzati su i tre assi, veicoli dotati di spin o condizioni ibride Sistemi spaziali MECCANICA DEL VOLO SPAZIALE 4 • Studio delle orbite e dei trasferimenti orbitali sotto l’effetto del campo gravitazionale e della propulsione • Elemento fondamentale per lo studio di una missione Sistemi spaziali SISTEMI DI PROPUSIONE 5 Sistemi spaziali SISTEMI DI PROPUSIONE Sistemi spaziali 6 SISTEMI DI PROPUSIONE 7 • Razzo a combustibile liquido Sistemi spaziali SISTEMI DI PROPUSIONE 8 • Serbatoi In condizioni di microgravità esistono problemi sul comportamento dei liquidi in relazione ai fenomeni legati alla capillarità In mancanza di forze di inerzia o gravitazionali la capillarità diventa importante con scale dimensionali di un ordine di grandezza maggiore rispetto alle condizioni di 1 g Sistemi spaziali SISTEMI DI PROPUSIONE 9 • Razzi a combustibil e solido Sistemi spaziali SISTEMI DI PROPUSIONE • Variazione spinta con variazione configurazione fi i grani Sistemi spaziali 10 SISTEMI DI PROPUSIONE 11 • È necessario un sistema di propulsione secondaria per: Raggiungimento orbita finale da quella stabilita dal sistema di lancio Raggiungimento di stazioni Correzione orbita Controllo di assetto • Sistemi A gas freddo Monopropellente (idrazina) Bi- propellenti Combustibile solido Sistemi spaziali SISTEMI DI PROPUSIONE 12 • Propulsione elettrica Elettrotermica • Un fluido viene scaldato ed espulso da un ugello Elettrostatica • Particelle elettricamente cariche vengono accelerate da un campo elettrico Elettrodinamica • Un campo elettromagnetico accelera un plasma Sistemi spaziali RIENTRO ATMOSFERICO 13 • Problemi di traiettoria corretta Rapporti resistenza-portanza • Riscaldamento cinetico per il volo ipersonico Necessità di protezioni termiche Assorbimento di calore con materiale ablativo Raffreddamento per radiazione Sistemi spaziali 14 STRUTTURE • • • • Minimo peso con massima affidabilità Necessità di resistenza ai carichi di lancio Analisi delle vibrazioni Flessibilità delle grandi strutture Sistemi spaziali TELECOMUNICAZIONI CONTROLLO DA TERRA 15 • Le operazioni svolte da un sistema spaziale richiedono un sistema di supporto a terra sono quindi importanti le comunicazioni da terra a bordo e viceversa. • Per le telecomunicazioni si impiegano alte frequenze sia per superare l’ostacolo prodotto dalla ionosfera sia per aumentare la quantità di informazioni trasmesse nell’unità di tempo. Sistemi spaziali 16 TELEMETRIA • Comunicazione a terra dei dati rilevati Per satelliti non geostazionari • Rete di stazioni a terra • Memorizzazione e trasmissione quando in vista della stazione a terra • Occorre uno studio della codifica, dei formati di trasmissione dei metodi di controllo degli errori e della trasmissione, possibilità di correzione Sistemi spaziali COMPATIBILITÀ ELETTROMAGNETICA 17 • È necessaria una protezione contro la possibilità di interferenze elettromagnetiche AFFIDABILITÀ • Deve essere massima trattandosi nella maggioranza dei casi di sistemi non riparabili Sistemi spaziali 18 MISSIONI • Scienza e esplorazioni Studio pianeti Astronomia Fisica Interazione sole-terra Risorse terrestri • Servizi pubblici Meteorologia Controllo ambiente terrestre GPS Sistemi spaziali 19 MISSIONI • Tecnologiche Studio nuove tecnologie spaziali Propulsione elettrica • Commerciali Telecomunicazioni Sistemi spaziali 20 VETTORI Sistemi spaziali 21 ARIANE 5 Altezza 59 m Diametro 5.4 m Massa al decollo 777 t Booster 6470 kN per 129 s comb. Solido -G- -ECA1° stadio spinta 1114 1340 kN 589 650 s H2 e O2 2° stadio spinta 27.4 64.7 kN H2 e O2 1100 960 s Carico utile LEO 16 21 t GTO 6.8 10.5 t Sistemi spaziali 22 SHUTTLE Sistemi spaziali 23 SHUTTLE Lo Space Shuttle è composto da : L’Orbiter Vehicle (in sigla OV): un orbiter con spazio per l'equipaggio, vano di trasporto per il carico, tre motori principali che utilizzano il comb stibile presente nei serbatoi esterni combustibile esterni, e un n sistema di mano manovra ra orbitale con due motori più piccoli due Booster a combustibile solido (in sigla SRB): razzi riutilizzabili a propellente solido, che si staccano due minuti dopo il lancio ad una altezza di 66 km e vengono recuperati nell'oceano grazie al fatto che la velocità di caduta viene notevolmente ridotta da alcuni paracadute; il Serbatoio Esterno (in sigla ET): un grande serbatoio esterno di combustibile contenente ossigeno liquido (in cima) e idrogeno anch'esso liquido (nella parte bassa) che servono ad alimentare i tre motori principali dell'OV. Si stacca dopo circa 8 minuti e mezzo ad una altitudine di 109 km, esplode in atmosfera e ricade in mare senza che venga poi recuperato. Sistemi spaziali 24 SHUTTLE Dati tecnici Altezza dello Space Shuttle: 56,14 m Altezza dell'orbiter: 37,23 m Apertura p alare: 23,79 m Massa alla partenza: 2.041.000 kg ET: 751.000 kg SRB: 2 x 590.000 = 1.180.000 kg Spinta alla partenza: 34,8 MN SSME: 3 x 1,8 = 5.4 MN SSRB: 2 x 14,7 = 29,4 MN Massa al rientro (solo orbiter): 104.000 kg Carico massimo trasportabile: 28.800 kg Orbita: da 185 a 643 km Velocità: 27.875 km/h Posti astronauti: 10 (di solito l'equipaggio va da 5 a 7 persone tra piloti, specialisti di missione e scienziati) Sistemi spaziali
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