Preliminary dimensioning and comparative analysis between manufacturing solutions for a novel composite cryogenic linerless tank

In order to substantially reduce launch costs, AVIO next generation launcher, VEGA-E, will offer extensive weight savings (25−30%) over current designs, starting from 2024. Development of light-weight composite cryogenic tanks using advanced production technologies is the key to achieving this goal. These composite structures must guarantee structural integrity at cryogenic temperatures, permeability and chemical compatibility with respect to the stored propellers. The aim of the thesis is to perform a preliminary dimensioning to investigate and assess the integration of a covering grid system, which should reinforce the tank shell, as an essential element to withstand the axial loads caused by the strong launcher acceleration at lift off. At this purpose, different tank architectures have been modelled and analyzed in 3D Finite Elements. Each of them refers to a possible manufacturing solution for the grid incorporation, whether a secondary-bonding or a co-curing process would be considered. Hence, their effect in terms of static structural response, weight penalty and buckling strength has been evaluated and compared with a proper all-shell design which does not include the grid. A feasible configuration has been also proposed in order to consolidate the full-scale tank design, taking into account the outcome of the present trade-off together with the one given by compatibility and permeability measurements, recently performed by AVIO on reduced scale vessels.

Un filone promettente della ricerca AVIO è orientato allo sviluppo di grandi serbatoi criogenici in composito per equipaggiare il rivoluzionario upper stage del futuro lanciatore VEGA-E, a partire dal 2024. La caratteristica di leggerezza dei serbatoi in composito offrirebbe significativi risparmi in termini di peso del lanciatore (circa il 25%−30%) garantendo, quindi, una maggiore flessibilità in termini di payload. Tali serbatoi devono garantire integrità strutturale a temperature criogeniche e allo stesso tempo permeabilità e compatibilità chimica rispetto ai propellenti al loro interno. Lo scopo del presente lavoro di tesi è quello di svolgere un dimensionamento preliminare per valutare l’integrabilità di una struttura di rinforzo a griglia rispetto all’involucro del serbatoio (shell) al fine di sostenere i carichi esterni dovuti all’accelerazione al lancio. A tal proposito, sono stati realizzati i modelli ad elementi finiti 3D di diverse architetture, ognuna delle quali espressione di un particolare processo di bonding per incorporare la griglia. A titolo di confronto, è stato, inoltre, dimensionato un modello di riferimento all shell, privo di griglia. Ogni modello è stato caratterizzato da un particolare design di stratificazione per rientrare nelle specifiche ed avere valori di deformazioni comparabili. È stata poi eseguita un’analisi di buckling non lineare e stimata la massa per ciascuno di essi. È stata infine proposta una particolare configurazione come soluzione del presente dimensionamento tenendo anche conto delle misure sperimentali di permeabilità e compatibilità recentemente svolte da AVIO su provini in scala ridotta.