Ingegneria Aerospaziale
L’ingegneria aerospaziale è un settore di livello tecnologico estremamente avanzato e in continua rapida evoluzione.
La ricerca in ambito aerospaziale presso il DICI riguarda tutte le discipline tipiche del settore: Meccanica del Volo, Costruzioni e Strutture Aerospaziali, Impianti e Sistemi Aerospaziali, Fluidodinamica e Propulsione Aerospaziale.
Tramite attività sperimentali e di modellazione/simulazione numerica, spesso condotte in modo sinergico, si cercano risposte alle sfide attuali e future per un trasporto aereo e un accesso allo spazio e alle sue risorse, perseguendo un approccio orientato alla sostenibilità, alla trasparenza e alla condivisione democratica dei risultati.
La ricerca in campo aerospaziale, intrinsecamente multidisciplinare, tipicamente conduce all’acquisizione di conoscenze e strumenti che, nonostante sviluppati nelle varie discipline di settore, trovano applicazione anche in altri campi dell’ingegneria e delle scienze.
Laboratori
Laboratorio di Fluidodinamica Computazionale
Laboratorio di Propulsione Elettrica
Laboratorio di Meccanica del Volo
Laboratorio di Sistemi Spaziali (SpaceLab)
Laboratorio di Strutture e Materiali Aerospaziali
Principali Aree di Ricerca
Impianti e Sistemi Aerospaziali
Le attività di ricerca DICI nel settore Impianti e Sistemi Aerospaziali (SSD ING-IND/05) si articola essenzialmente in due filoni fondamentali: uno orientato alle applicazioni aeronautiche, l’altro a quelle spaziali.
Per quanto concerne la ricerca in campo aeronautico, le principali tematiche di interesse e di approfondimento riguardano lo studio e l’analisi dinamica dei sistemi di controllo dei velivoli, sia pilotati che UAV.
Nell’ottica di contribuire al miglioramento della sostenibilità energetica ed ambientale dell’industria aeronautica e dei suoi prodotti, una particolare attenzione è stata dedicata allo studio di sistemi di attuazione elettromeccanica, sia per applicazioni di movimentazione e controllo di superfici di comando di volo che per sistemi di propulsione ibridi e full-electric, con l’obiettivo di identificare e risolvere le problematiche di progetto più critiche, sia dal punto di vista delle prestazioni dinamiche e di controllo (mediante esperimenti e modellazione/simulazione in ambiente Matlab-Simulink-Stateflow) che dal punto di vista dell’affidabilità/sicurezza (mediante analisi RAMS e sviluppo di algoritmi di health-monitoring).
In parallelo alle ricerche nel campo dell’attuazione aeronautica, negli ultimi anni sono state condotte molteplici attività sullo sviluppo di sistemi Sense And-Avoid per UAV, che hanno anche portato all’allestimento di set-up sperimentali per prove funzionali e validazione di algoritmi di identificazione ed evasione ostacoli, che integrano dati di videocamere con quelli provenienti da sistemi radar.
Le attività in corso in campo spaziale riguardano i piccoli satelliti e le piattaforme stratosferiche. Il DICI è capofila di un programma ASI per il progetto, la realizzazione e le operazioni di missione di una piattaforma dedicata Cubesat da 12 U per dimostrazione in volo di tecnologie micro- e nano satellitari, destinato a portare in orbita alcune tecnologie innovative sviluppate da DICI (propulsione chimica monopropellente), da altri dipartimenti di UniPi (tubi di calore pulsati e antenne riconfigurabili in banda S), e presso PMI locali (propulsione pulsata al plasma ed elaborazione di segnali in banda S su GPU). Le competenze di progetto e integrazione di meccanica, sensoristica, generazione di potenza e controlli di sistemi microsatellitari sono ulteriormente messe a frutto nello sviluppo di una piattaforma miniaturizzata per l’accesso all’ambiente near-space (alta stratosfera) basata su componentistica COTS. Tecniche di modellazione per la previsione e il controllo della traiettoria (Matlab/Simulink) sono usate a complemento di una intensa attività sperimentale con lanci di prova di payload di osservazione della terra, telecomunicazioni e sperimentazione scientifica, quali ad es. un sistema di misura delle prestazioni di celle solari di nuova generazione in stratosfera che parteciperà anche al volo SOLAR del CNES dal Canada.
Propulsione Elettrica
A partire dagli anni settanta del secolo scorso, UniPi ha svolto attività sia teoriche che sperimentali su propulsori MPD alimentati a gas, PPT, arcogetti e resistogetti, propulsori da effetto di campo (FEEP), motori Hall, catodi per propulsione elettrica, nell'ambito di progetti ASI, ESA ed UE, collaborando con istituzioni pubbliche e private in Italia e all'estero.
Attualmente DICI-UniPi sta allestendo un nuovo laboratorio, con una camera a vuoto in fibra di vetro di 0,8 mdi diametro e 1 m di lunghezza (estendibile fino a 2,5 m). La camera è dotata di una pompa scroll Edwards GVSP30 e di una pompa turbomolecolare Edwards STP-iS2207 per alto vuoto elevato (fino a 10 -5 mbar). La camera è adatta per testare propulsori elettrici a bassa potenza (gamma 100 W), catodi cavi e piccoli propulsori a propellente verde. La camera in fibra di vetro è particolarmente adatta per prove che richiedono una bassa interferenza elettromagnetica con l’impianto di prova.
Le principali attività teoriche e sperimentali di Propulsione Elettrica su cui DICI-UniPi è attualmente impegnata sono:
- Sviluppo di modelli fluidi 1D non stazionari per lo studio di instabilità e prestazioni in motori Hall e sviluppo di modelli fluidi 2D per lo studio delle prestazioni di catodi cavi, nell'ambito del progetto H2020 ASPIRE (in collaborazione con il Dipartimento di Fisica – UniPi, Prime: Sitael SpA).
- Sviluppo di un motore Hall ad alta potenza a canali coassiali con schermatura magnetica (fino a 25 kW) e sviluppo di un catodo ad ampio range di corrente (progetto TANDEM, in collaborazione con Aerospazio Tecnologie SRL, nell'ambito di un TDE ESA).
- Sviluppo teorico e sperimentale di catodi cavi con diversi materiali emettitori, operanti con xeno, krypton, iodio e idrogeno per applicazioni EP e di fusione nucleare (in collaborazione con Dipartimento di Chimica e Chimica Industriale – UniPi e Consorzio RFX – Padova);
- Ricerca e sviluppo di sistemi di gestione del propellente a iodio per propulsori di bassa potenza, tra cui un innovativo misuratore di portata massica basato su laser (in collaborazione con il Dipartimento di Chimica e Chimica Industriale - UniPi);
- Ricerca sulla prototipazione rapida mediante l'utilizzo di tecniche di manifattura additiva applicate ai componenti EP
Propulsione Chimica
Il gruppo di ricerca nella propulsione chimica presso il DICI ha più di venti anni di esperienza nel campo delle turbopompe per applicazioni spaziali. Le attività passate e presenti nell’ambito delle turbopompe per razzi, in generale, e della cavitazione, in particolare, hanno riguardato:
- La progettazione e la realizzazione di induttori ad alta prevalenza e di pompe centrifughe disegnati attraverso modelli di ordine ridotto.
- La progettazione e la realizzazione di un impianto di prova (denominato Cavitating Pump Rotordynamic Test Facility) capace di caratterizzare, in similitudine sia fluidodinamica sia termico- cavitante, i seguenti fenomeni: le prestazioni in regime cavitante e non cavitante delle turbopompe (e di altri componenti come profili idrodinamici, corpi tozzi, ecc.); le forze rotodinamiche indotte sulle giranti dal fluido, sia in regime cavitante che non cavitante, tramite esperimenti con moto eccentrico imposto; le instabilità (sia assiali che azimutali) indotte dalla cavitazione in turbopompe di razzi a propellente liquido; le matrici dinamiche di trasferimento di induttori e giranti centrifughe in regime
cavitante.
- La progettazione e la realizzazione di cuscinetti fluidodinamici ibridi ad alta velocità.
- La progettazione e la realizzazione di un impianto di prova per la caratterizzazione delle prestazioni di cuscinetti idrodinamici ibridi alimentati con fluidi criogenici.
- La modelizzazione, le simulazioni numeriche, le analisi teoriche di fluidi cavitanti in turbopompe, profili idrodinamici e cuscinetti.
Inoltre, il gruppo di ricerca ha circa quindici anni di esperienza nel campo dei propellenti verdi, specificatamente in attività di sviluppo di propulsori monopropellenti e bipropellenti alimentati a perossido di idrogeno. In stretta collaborazione con il Dipartimento di Chimica e Chimica Industriale (DCCI) dell’Università di Pisa, il gruppo di ricerca si è focalizzato sullo sviluppo dei catalizzatori per la decomposizione del perossido di idrogeno. L’ordine di grandezza delle spinte dei prototipi di propulsori sviluppati ricade nelle tipiche applicazioni per satelliti e per sistemi di controllo di assetto per razzi (1-40 N per sistemi monopropellente; 20-100 N per sistemi bipropellente). Recentemente, la ricerca è incentrata sullo sviluppo di sistemi propulsive verdi per CubeSat.
Meccanica del Volo
L’attività di ricerca del DICI nel settore della Meccanica del Volo (SSD ING-IND/03) è incentrata su possibili applicazioni sia aeronautiche sia spaziali. Per quanto riguarda le prime, i principali argomenti di interesse sono essenzialmente la dinamica e il controllo del velivolo, e la simulazione di volo. In quest’ultimo ambito, un valido strumento è costituito da un prototipo di simulatore di volo a base fissa, sviluppato del DICI come strumento di ricerca ed anche come possibile piattaforma di addestramento piloti ed ospitato dal laboratorio di Meccanica del Volo.
La ricerca svolta nel campo spaziale riguarda invece l’analisi di missione, lo studio e l’ottimizzazione di traiettoria ed il controllo di assetto di veicoli spaziali non convenzionali. Particolare attenzione è posta nei confronti degli innovativi sistemi propulsivi propellantless, capaci cioè di generare spinta senza consumare propellente.
Fra questi, è opportuno menzionare la vela solare, che sfrutta la pressione di radiazione solare per modificare la quantità di moto del satellite, e la vela elettrica (E- sail), che produce invece una spinta grazie all’interazione elettrostatica tra gli ioni presenti nel vento solare ed una griglia di cavi elettricamente carichi. In particolare, i recenti successi nelle prime missioni di test delle vele solari hanno dato un notevole impulso alle attività di ricerca su questo sistema propulsivo.
Nel contesto dello studio di sistemi propulsivi propellantless si inserisce il progetto Helianthus, finanziato da ASI e coordinato dall’Università La Sapienza di Roma.
L’obiettivo del progetto consiste nell’analisi preliminare di una missione spaziale di early warning per il rilevamento di una CME (Coronal Mass Ejection) con un tempo di preavviso superiore all’ora. Nell’ambito del progetto Helianthus, il gruppo di lavoro del DICI si sta occupando di analizzare le manovre di assetto richieste per soddisfare i requisiti di puntamento dei sensori e delle antenne, determinare una legge di controllo non lineare (di tipo sliding-mode) che consenta l’esecuzione di queste manovre, e studiare i modi vibrazionali della vela solare durante il moto orbitale.
Fluidodinamica
 |
|
Le attività di ricerca riguardano la comprensione fisica e il controllo di flussi complessi tramite l’uso sinergico di simulazioni numeriche, esperimenti, analisi di stabilità e tecniche di quantificazione delle incertezze e della sensibilità a vari parametri.
Le applicazioni includono:
- l’analisi e la modellizzazione di flussi turbolenti, flussi multifase e flussi in mezzi porosi;
- lo studio e il controllo dell’aerodinamica di corpi tozzi, con applicazioni in particolare in campo automobilistico;
- microfluidica e, in particolare, lo studio e il controllo di flussi in micro-reattori e micro-miscelatori;
- riduzione della resistenza aerodinamica;
- studio e modellizzazione di scie separate, con applicazioni, ad esempio, a turbine eoliche;
- sviluppo di una piattaforma integrata (esperimenti, simulazione numerica e quantificazione delle incertezze) per lo studio dell’emodinamica nei vasi sanguigni.
