New severity metrics for MDOF environmental transient testing

In spacecraft (SC) qualification, structural vibration testing is traditionally performed using sequential single-axis sine tests. However, studies have shown that this approach often leads to over-conservative SC designs compared to multiaxial testing, where all degrees of freedom (DOFs) are excited simultaneously. Multiaxial testing better captures real-world dynamic responses, particularly those arising from transient excitations, which sine tests inherently neglect. Although multi-degrees of freedom (MDOF) shakers capable of generating both trans lational and rotational excitations are available, the widespread adoption of multiaxial transient testing remains limited due to the absence of a robust metric to quantify test severity and establish equivalence between different test conditions. This thesis aims to address this gap by developing a new framework for characterizing test severity in multi axial transient environments. After the introduction and a chapter to assess the state of the art of SC testing, the the sis begins by deriving a new system of equations that captures the interactions between different DOFs, moving beyond the common assumption of independent single degree of freedom (SDOF) systems. This results in a more accurate and realistic model of SC structural responses. The following chapter details the development and implementa tion of a MATLAB-based computational model designed to solve this coupled system efficiently. Next, the chapter introduces a set of newly developed multiple-input multiple output (MIMO) metrics and presents their results, most importantly in the context of load severity comparison. Finally, the thesis explores shock duration metrics, obtained by applying a promising analytical method based on analyzing the cumulative moment of a particular time-history, resulting in a robust and noise-resistant environment characteri zation.

Nella qualificazione dei veicoli spaziali, i test di vibrazione strutturale vengono tradizional mente eseguiti utilizzando prove sinusoidali sequenziali su singolo asse. Tuttavia, studi hanno dimostrato che questo approccio porta spesso a progetti di veicoli spaziali ecces sivamente conservativi rispetto ai test multiassiali, in cui tutti i gradi di libertà vengono eccitati simultaneamente. I test multiassiali catturano meglio le risposte dinamiche reali, in particolare quelle derivanti da eccitazioni transitorie, che i test sinusoidali trascurano per loro natura. Sebbene siano disponibili shaker a più gradi di libertà (MDOF) capaci di generare ecc itazioni sia traslazionali che rotazionali, l’adozione diffusa dei test transitori multiassiali rimane limitata a causa della mancanza di una metrica robusta per quantificare la severità del test e stabilire un’equivalenza tra diverse condizioni di prova. Questa tesi si propone di colmare questa lacuna sviluppando un nuovo framework per la caratterizzazione della severità dei test in ambienti transitori multiassiali. Dopo l’introduzione e un capitolo dedicato allo stato dell’arte dei test sui veicoli spaziali, la tesi inizia derivando un nuovo sistema di equazioni che cattura le interazioni tra i diversi gradi di libertà, andando oltre la comune assunzione di sistemi a singolo grado di libertà indipendenti. Questo porta a un modello più accurato e realistico delle risposte strut turali del veicolo spaziale. Il capitolo successivo descrive lo sviluppo e l’implementazione di un modello computazionale basato su MATLAB progettato per risolvere in modo effi ciente questo sistema accoppiato. Viene quindi introdotto un insieme di nuove metriche multi-input multi-output e presentati i risultati, soprattutto nel contesto del confronto della severità dei carichi. Infine, la tesi esplora metriche relative alla durata dello shock, ottenute applicando un promettente metodo analitico basato sull’analisi del momento cumulativo di una particolare storia temporale, ottenendo così una caratterizzazione dell’ambiente robusta e resistente al rumore.