Analysis, design and testing of a deployment method for inflatable space habitats

In the last few decades, inflatable structures started to play an increasingly important role in the space industry due to the great advantages they can offer in terms of efficiency and cost savings. In particular, attention is increasingly being focused on their use in habitat construction, with the prospect of applications on the lunar or Martian surface. A fundamental aspect concerns the process of inflation and deployment of these structures: the aim of this thesis is to study the available mechanisms and to identify which of them is most suitable for use in the creation of a habitat. In the first part of the work, the main deployment models for inflatable structures currently developed are presented, highlighting their strengths and weaknesses and focusing mainly on their dynamic aspects, their stability characteristics and their main areas of use. An analytical study is then made on the volumetric efficiency that the methods can offer, considering a tubular structure and assessing the ratio between the volume obtained and the initial volume. On the basis of these results, the most promising and feasible method on which to focus the study is then chosen. A test system is then designed and implemented, with which the inflation of a cylindrical beam is simulated using three different supply pressures and different configurations to simulate different application scenarios. The results obtained are then analysed to study the dynamic behaviour of the structure and the evolution of the pressures inside it. Finally, this allows the evaluation of the realism of some existing dynamic models and the identification of the main aspects on which to focus in the future to improve the effectiveness and accuracy of the model.

Negli ultimi decenni in ambito spaziale le strutture gonfiabili hanno iniziato ad assumere un ruolo sempre più importante grazie ai grandi vantaggi che possono offrire in termini di efficienza e risparmio di costi. In particolare, si è osservato un crescente interesse verso il loro utilizzo nell’ambito della realizzazione di habitat, in vista di un loro impiego sulla superficie lunare o marziana. Un aspetto fondamentale che entra in gioco riguarda il processo di gonfiaggio e allestimento di queste strutture: l’obiettivo di questa tesi è studiare i meccanismi disponibili e individuare quali tra questi sia più adatto ad essere utilizzato per la realizzazione di un habitat. Nella prima parte del lavoro vengono presentati i principali modelli di deployment per strutture gonfiabili attualmente sviluppati, evidenziando i loro punti di forza e di debolezza, concentrandosi soprattutto sui loro aspetti dinamici, sulle loro caratteristiche di stabilità e sui loro principali ambiti di utilizzo. Successivamente viene eseguito uno studio analitico sull’efficienza volumetrica che i metodi possono offrire, considerando una struttura tubolare e andando a valutare il rapporto tra il volume ottenuto e quello iniziale. Partendo da questi risultati viene quindi scelto il metodo più promettente e realizzabile su cui focalizzare lo studio. Viene quindi progettato e realizzato un sistema di test, con il quale è simulato il gonfiaggio di una trave cilindrica utilizzando tre diverse pressioni di alimentazione e diverse configurazioni per testare diversi scenari di applicazione. I risultati ottenuti sono poi analizzati in modo da studiare il comportamento dinamico della struttura e l’andamento delle pressioni al suo interno. Ciò permette infine di valutare il realismo di alcuni modelli dinamici già esistenti e individuare i principali aspetti su cui focalizzarsi in futuro per migliorare e rendere ancora più efficace il modello.