Design of a grid structure applied to a launcher interstage

This thesis falls within the context of launch vehicles and focuses on the development of a preliminary methodology for studying grid structures applied to the interstage, considering hot-staging as the separation technology. The interstage connects two stages of the launch vehicle, transmits loads, and enables their separation. The aim is to develop an alternative preliminary methodology, compared to those available in the literature, for designing a grid structure that takes into account both the use of composite materials and the possibility of arbitrarily orienting the lattice arrangement. After a preliminary and qualitative assessment of the loads acting on an interstage, the focus moves to the development of the numerical method to define the grid geometry. For a cylindrical configuration, the study explores the feasibility of adopting an arbitrary laminate sequence in the finite element model, integrating "shell" elements due to their superior adaptability for analysing composite materials. The algorithm’s accuracy is evaluated through the reconstruction of a real interstage. Indeed, once the conformity of the geometry is validated, it is imported into a finite element analysis software for an initial assessment. Then, the algorithm is modified to incorporate the possibility of developing a truncated cone geometry, following the design provided by ESA for the Vega C interstage. The resulting grid structure, which also allows for an initial arbitrary orientation of its lattice, with an added skin, is compared to a thin-walled one to highlight their different behaviour under load. The proposed methodology provides a baseline for further exploration into the design of an interstage with hot-staging separation, particularly when considering composite grid structure.

Questa tesi si colloca nel contesto dei lanciatori e si concentra sullo sviluppo di una metodologia preliminare per lo studio di strutture a griglia, applicate all’interstadio considerando come tecnologia di separazione l’ hot-staging. Tale componente ha il compito di collegare i due stadi del vettore di lancio, trasmettere i carichi e consentire la separazione tra di essi. L’obiettivo è di sviluppare una metodologia alternativa preliminare, rispetto a quelle presenti in letteratura, per la progettazione di una struttura a griglia che tenga conto sia dell’uso di materiali compositi, sia della possibilità di orientare liberamente la disposizione del reticolo. A seguito di una valutazione preliminare e qualitativa dei carichi a cui è sottoposto un interstadio, l’attenzione si concentra sullo sviluppo del metodo numerico per definirne la geometria. Su una configurazione cilindrica, si è elaborata la possibilità di adottare, per il modello ad elementi finiti, una sequenza di laminazione arbitraria con l’introduzione di elementi “shell”, per la loro migliore adattabilità allo studio di materiali compositi. Il corretto funzionamento dell’algoritmo è stato valutato mediante la ricostruzione di un interstadio reale. Infatti, una volta validata la conformità della geometria, la si è importata in un software di analisi agli elementi finiti per averne una prima verifica. Successivamente, l’algoritmo viene modificato per includere la possibilità della progettazione di una geometria tronco-conica, come da disegno fornito dall’ESA, studiata per l’interstadio del Vega C. La conseguente struttura a griglia, che consente inoltre un primo orientamento arbitrario del suo reticolo, e con pelle di rivestimento, viene confrontata con una a parete sottile, al fine di evidenziarne il diverso comportamento sotto carico. La metodologia proposta offre un’ opportunità di approfondimento per la progettazione di un interstadio con separazione di tipo hot-staging, qualora si considerino soluzioni a griglia in materiale composito.