Smart flexible structures based on embedded fiber optic sensors for space applications

Space debris is rapidly increasing, the amount of inactive objects around the orbit causes significant problems to the satellites in orbit, the speed at which the inactive objects move possesses a threat to satellites. Many countries around the world are scrambling to reduce the impact of such debris. Tethers and Gossamer structures are the most viable option as they can be stowed and can easily deployed in space. Among the many technologies available for this mission, the ESA has a functioning satellite CHASER which consists of a retractable tether and a net to intercept and deflect space junk. For this purpose it's also important to monitor the health of these structures on board usually by means of systems called HUMS, where the structure is embedded with sensors. This thesis aims to develop 2 technological demonstrators embedded with Fiber Bragg Grating Sensors (FBG) that can seamlessly work in a space environment. The first part of the thesis evaluates the behaviour of FO (optical fiber) incorporated inside a cable and a composite structure such as a plate or a dome with mechanical and optical tests. The second part of the thesis evaluates with an algorithm of QR optimization to determine the location of sensor placement by modal analysis, and validating the optimization technique with prototypes.

I detriti spaziali stanno rapidamente aumentando, la quantità di oggetti inattivi attorno all'orbita causa notevoli problemi ai satelliti in orbita, la velocità con quelli inattivi gli oggetti in movimento rappresentano una minaccia per i satelliti. Molti paesi in tutto il mondo lo sono scrambling per ridurre l'impatto di tali detriti. Le strutture Tethers e Gossamer sono l'opzione più praticabile in quanto possono essere riposte e può essere facilmente distribuito nello spazio. Tra le tante tecnologie disponibili per questo missione, l'ESA dispone di un CHASER satellitare funzionante che consiste in un retrattile tether e una rete per intercettare e deviare la spazzatura spaziale. A tale scopo è importante anche monitorare lo stato di salute di queste strutture scheda solitamente mediante sistemi denominati HUMS, in cui la struttura è incorporata con sensori. Questa tesi si propone di sviluppare 2 dimostratori tecnologici incorporati realizzato con sensori a reticolo in fibra di Bragg (FBGS) che possono funzionare senza problemi nello spazio ambiente. La prima parte della tesi valuta il comportamento della FO (fibra ottica) incorporata all'interno di un cavo e di una struttura composita come una piastra o una cupola con meccanica e test ottici. La seconda parte della tesi valuta con un algoritmo di QR ottimizzazione per determinare la posizione del posizionamento del sensore mediante analisi modale e sperimenta e valida l'ottimizzazione con prototipi.