Shape reconstruction of thin and flexible composite structures for space applications with embedded fiber optic sensors

Gossamer-like structures are the major candidate for future space missions demanding for functional elements of large dimensions, thanks to their low weight-to-volume ratio and their capability to be stowed in small spaces, thus ensuring a size reduction of transport systems and, therefore, great cost savings. These structures are able to reach an operative configuration, starting from a packaged state, while facing the challenging space environment. For this reason, development of high-performance structural health monitoring systems has proven to be of vital importance. In this regard, this thesis work intends to propose and develop a technology for reconstructing the shape of thin and flexible structures with embedded Fiber Bragg Grating sensors, meant for space applications, as a linear superposition of modal shapes. The first part of the research study evaluates the behavior of an optical fiber embedded inside a composite plate, aiming at characterizing the interaction between the smart material and its host structure, through optical and mechanical tests. In the second part of the project, by means of a MAC-derived optimization algorithm and experimental modal analysis, different prototypes are tested with the purpose of stating whether this way of working might truly constitute a valid procedure to the posed problem.

Le strutture di tipo gossamer sono il principale candidato per le future missioni spaziali che richiedano elementi funzionali di grandi dimensioni, grazie al loro basso rapporto peso-volume e alla loro capacità di essere stivati in piccoli spazi, garantendo così una riduzione delle dimensioni dei sistemi di trasporto e, quindi, un grande risparmio di costi. Queste strutture sono in grado di raggiungere una configurazione operativa, partendo da uno stato impacchettato, mentre affrontano il difficile ambiente spaziale. Per questo motivo, lo sviluppo di sistemi di monitoraggio della salute strutturale ad alte prestazioni si è rivelato di vitale importanza. A tal proposito, questo lavoro di tesi intende proporre e sviluppare una tecnologia per ricostruire la forma di strutture sottili e flessibili con sensori in fibra a reticolo di Bragg incorporati, destinati ad applicazioni spaziali, come sovrapposizione lineare di forme modali. La prima parte dello studio di ricerca valuta il comportamento di una fibra ottica incorporata all'interno di una piastra in composito, con l'obiettivo di caratterizzare l'interazione tra il materiale intelligente e la sua struttura ospite, attraverso test ottici e meccanici. Nella seconda parte del progetto, attraverso un algoritmo di ottimizzazione derivato dal MAC e un'analisi modale sperimentale, diversi prototipi vengono testati con lo scopo di affermare se questo modus operandi possa realmente costituire una procedura valida per il problema posto.