L’aerospaziale riunisce l’aeronautica e l’astronautica, che sono due discipline distinte.
L'aeronautica comprende le scienze e le tecniche coinvolte nella costruzione e nel volo di un aereo nell'atmosfera terrestre.
Un aeromobile è un dispositivo che si muove nell’atmosfera con i propri mezzi; i principali tipi sono gli aeroplani, gli elicotteri e i droni.
Un aereo vola grazie al flusso d’aria intorno alle ali, che produce forze aerodinamiche come la portanza (perpendicolare al vento relativo, verso l’alto) generata dalla differenza di pressione tra la parte superiore e inferiore di ciascuna ala; e la resistenza (parallela al vento relativo, verso l’indietro). La sfida tecnologica consiste nell’ottenere il miglior rapporto peso/spinta, che dipende dai materiali utilizzati (peso vs. resistenza) e dal tipo di propulsione.
L'astronautica comprende tutte le scienze e le tecniche coinvolte nell'invio di un veicolo con o senza equipaggio nello spazio (cioè al di là dell'atmosfera terrestre), nella navigazione nello spazio e nel funzionamento dei veicoli spaziali.
Come nell’aeronautica, i limiti riguardano il peso e la forza esterna necessaria per il decollo. Le missioni spaziali comportano condizioni estreme: vibrazioni al momento del decollo, il vuoto dello spazio, le radiazioni emesse dal Sole (dalle onde radio ai raggi gamma, neutroni molto energetici e particelle cariche – elettroni, protoni e altre – anch’esse molto energetiche), notevoli differenze di temperatura dovute alla differenza tra l’energia ricevuta dal Sole e la temperatura del fondo cosmico a microonde (~3-4 K), fasce di radiazione terrestre (chiamate fasce di Van Allen per la Terra) in cui le particelle cariche ad alta energia sono intrappolate dal campo magnetico del nostro pianeta, rientro atmosferico dei veicoli spaziali al loro ritorno sulla Terra (intenso attrito tra il veicolo spaziale e l’atmosfera), ecc…
DAES supporta i principali attori di questo settore. Dai calcoli CFD del flusso d’aria intorno a un aereo alla progettazione strutturale di parti in composito e all’applicazione degli standard di sicurezza, i nostri esperti possono aiutarvi a progettare i vostri prodotti.
Gli obiettivi e le sfide principali dell’industria aerospaziale includono :
- Riduzione dei costi di orbita
- Sviluppo di sistemi di propulsione ad alte prestazioni che forniscono una spinta elevata
- Migliorare la struttura dei lanciatori
- Trovare soluzioni tecniche per il riutilizzo di parti del lanciatore
- Riduzione dei costi di orbita
- Ridurre il costo dei veicoli spaziali una volta nello spazio
- Migliorare l’efficienza dei sistemi di produzione energetica
- Miglioramento dei sistemi di protezione termica e dalle radiazioni
- Riduzione dei costi del carico utile
- miniaturizzare gli strumenti e ridurre il loro consumo energetico
La maggior parte delle aree delle applicazioni aerospaziali sono coperte dall’esperienza di DAES e dei suoi partner, che ci rendono il vostro partner preferito.
- Sistemi di lancio spaziale (SLS)
- Veicoli di lancio spaziali (LV)
- Sistemi di fissaggio rigidi
- Propulsione a razzo
- Propulsori a ioni e plasma
- Veicoli spaziali, satelliti e una flotta di nanosatelliti
- Sistemi di raccolta dei detriti spaziali
Flusso d'aria intorno all'aeromobile
Il flusso turbolento si verifica intorno a un aeromobile. Localmente, possono anche comparire zone di transizione tra flussi laminari e turbolenti.
Le analisi CFD consentono di tenere conto di questi effetti e di studiarne l’impatto sul velivolo.
In alcuni casi, è necessario tenere conto della deformazione creata dalla pressione del fluido. E viceversa, anche il cambiamento di forma della parte a contatto con il flusso d’aria. Questa è nota come analisi CFD accoppiata (o FSI Fluid-Structure Interaction).
Dimensionamento di strumenti ottici
Gli strumenti ottici dei satelliti devono rimanere il più possibile stabili per poter essere accurati. La loro progettazione richiede numerose simulazioni numeriche, sia utilizzando strumenti dedicati all’ottica come ZEMAX, sia per garantire la resistenza meccanica di questi strumenti. È necessaria la massima stabilità possibile e un’espansione termica praticamente nulla. A questo scopo vengono spesso utilizzati gruppi in composito di carbonio.
Analisi delle vibrazioni dei componenti
I veicoli (siano essi veicoli spaziali o meno) sono soggetti a forti vibrazioni, in particolare durante la fase di decollo. Per stimare le sollecitazioni risultanti si possono utilizzare analisi delle vibrazioni come la PSD o analisi semplificate (statica strutturale). Questi calcoli sono essenziali per verificare che l’apparecchiatura resista alle sollecitazioni a cui sarà sottoposta e per verificarne la durata.
Impatto sul veicolo (test di bird strike, impatto di detriti sul satellite)
Tutti ricordiamo l’impatto di un detrito sul concorde dell’Air France, Parigi-New York. Un impatto su uno dei componenti esterni del veicolo durante le fasi critiche può avere effetti drammatici. Che l’impatto sia causato da un uccello o da un detrito spaziale, le analisi esplicite (analisi dinamiche) possono essere utilizzate per stimare la resistenza del componente a tale impatto e quindi per progettare contromisure per questi impatti rari ma inevitabili.
Ottimizzazione topologica dei componenti
La massa è una questione cruciale nel settore aerospaziale. Le moderne simulazioni numeriche possono essere utilizzate per ottimizzare la topologia di un pezzo sottoposto a sollecitazioni definite. In questo modo, i componenti vengono ottimizzati garantendo al contempo la loro integrità. Ovviamente, le modifiche ai materiali sono spesso considerate per perfezionare queste esigenze di ottimizzazione.
Analisi strutturale dei componenti durante le varie fasi dell'incarico
Che si tratti di un razzo, di un aereo o di un elicottero, i componenti di queste apparecchiature sono sottoposti a sollecitazioni straordinarie. Le sollecitazioni indotte durante le varie fasi (decollo, atterraggio, volo) possono essere stimate utilizzando analisi strutturali transitorie o statiche. Il peso di questi componenti viene costantemente ottimizzato, garantendo al contempo la loro integrità. Ovviamente, le modifiche ai materiali sono spesso considerate per perfezionare queste esigenze di ottimizzazione.
Esperto in simulazione digitale e molto altro ancora!
Gli ingegneri che si occupano di simulazione digitale sono spesso considerati degli esperti e possono rapidamente isolarsi. In DAES, i nostri esperti sono molto più che calcolatori: sono al centro dei vostri progetti, guidano l'innovazione e migliorano i vostri prodotti.
Queste sono alcune delle esperienze passate dei collaboratori del DAES nello sviluppo di strumenti scientifici per la ricerca in astronomia e astrofisica.
Euclide NISP
Euclid è una missione spazialedell’ESA il cui obiettivo è capire perché l’espansione dell’universo sta accelerando e determinare la natura della fonte di energia responsabile di questa accelerazione. Questa energia, nota come energia oscura, e la materia oscura costituiscono circa il 95% dell’universo. Euclid permetterà di osservare l’evoluzione dell’universo negli ultimi 10 miliardi di anni, nel tentativo di rispondere a domande legate alla natura e alle proprietà dell’energia oscura, della materia oscura e della gravità: o la materia oscura è costituita da una nuova particella finora sconosciuta, o la legge fondamentale della gravità deve essere rivalutata.
Euclid sarà dotato di un telescopio in carburo di silicio di 1,2 m di diametro, costruito per alimentare due strumenti, VIS e NISP, prodotti dal consorzio Euclid: un imager visibile panoramico di alta qualità (VIS) e uno spettrografo e fotometro a infrarossi. Il satellite sarà lanciato nel 2023 e si dirigerà verso Lagrange L2 per una missione di 6 anni.
Nell’ambito delle loro precedenti attività presso il Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (LAM) del CNRS, il personale del DAES è stato coinvolto nell’ingegneria di sistema, nella progettazione ottica e nei test dello strumento NISP sviluppato sotto la direzione del LAM con il CNES.
- Definizione delle interfacce e delle specifiche tecniche per i partner responsabili della produzione di alcuni componenti dello strumento
- Validazione dell’approccio alla qualità con partner industriali responsabili della produzione di componenti ottici (applicazione di standard spaziali e definizione di criteri di accettazione)
- Definizione di test di validazione e qualificazione per i componenti ottici (cicli termici e vibrazioni)
- Supervisione e sviluppo di attività di assemblaggio/integrazione/collaudo meccanico
- Progettazione del sistema meccanico di terra per l’assemblaggio e l’integrazione dello strumento NISP.
Progettazione di strutture per prove di validazione e qualificazione dello strumento NISP (cicli termici e vibrazioni)
Palla di fuoco-2
FIREBall -2 (Faint Intergalactic Medium Redshifted Emission Balloon) è un progetto scientifico franco-americano lanciato nel settembre 2018, che mira a rilevare deboli emissioni dal mezzo caldo intergalattico. FIREBall effettua le sue misurazioni ad un’altitudine di 40 km, con gli strumenti installati in una gondola montata sotto un pallone stratosferico. FIREBall consiste in un telescopio con un’apertura di 1 m e in uno spettrografo che opera nell’ultravioletto (lunghezza d’onda di 200 nm): il progetto FIREBall è pilotato da CALTECH, i voli sono forniti dalla NASA, il CNES fornisce la gondola e il LAM lo spettrografo.
Nell’ambito delle sue precedenti attività all’interno del Laboratorio di astrofisica di Marsiglia (LAM) del CNRS, il collaboratore del DAES è stato coinvolto nella progettazione, nell’allineamento e nella valutazione delle prestazioni ottiche dello spettrografo, dalla sua concezione alla campagna di volo, nonché nella definizione di un modello strumentale accoppiato (Raytracing + Python) per simulare le prestazioni dello strumento.
PFS SuMIRe
Il progetto PFS SuMIRe (Prime Focus Spectrograph Subaru Measurement of Images and Redshifts) è un progetto internazionale (USA, Giappone, Brasile, Francia) che mira a rispondere a domande fondamentali sulla creazione dell’universo. Gli scienziati hanno recentemente scoperto che si conosce solo il 4% della composizione dell’universo: il restante 96% è costituito da “materia oscura”, che non è mai stata rilevata direttamente, e da “energia oscura”, che accelera l’espansione dell’universo. Lo spettrografo PFS, una volta installato sul telescopio Subaru da 8,2 metri a Mauna Kea (Hawaii), sarà utilizzato per rilevare galassie, fare archeologia galattica e studiare l’evoluzione delle galassie. PFS effettuerà simultaneamente la spettroscopia di 2.400 bersagli utilizzando l’ampio campo visivo del telescopio Subaru e un sistema spettrografico composto da quattro moduli spettrografici identici (ciascuno alimentato da 600 fibre). Ogni spettrografo può effettuare simultaneamente misurazioni nelle lunghezze d’onda del blu, del rosso e del vicino infrarosso. Ciascuno dei quattro moduli dello spettrografo viene assemblato, integrato, testato e convalidato presso il LAM prima di essere spedito per ridurre al minimo le attività di integrazione e test sulla cima di Mauna Kea (4207 metri sul livello del mare). Nell’ambito del suo precedente lavoro presso il Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (LAM) del CNRS, la dipendente del DAES è stata coinvolta nella progettazione ottica dello spettrografo PFS, in particolare eseguendo alcuni studi di calcolo ottico associati allo spettrografo (progettazione, prestazioni ottiche, tolleranze, luce parassita).