Design and Structural Analysis of MGSE for the RESTORE project

The increasingly complex modular space structures require dedicated Mechanical Ground Support Equipment (MGSE) to safely handle, integrate and verify flight hardware. This thesis focuses on the design, construction and structural verification of MGSE for the HIVE QM3 rideshare structure as part of the RESTORE project. The first contribution of this thesis to the already in progress RESTORE project, it is a full design cycle of three MGSE subsystems: an Integration Table, a Tilting Table, and a Lifting Frame. Technical requirements were articulated, conceptual alternatives were assessed and final CAD configurations established. Structural verification was con- ducted with analytical methods (tension, shear, bending, bucking) and with finite element simulations using realistic boundary conditions. Each assessment confirmed structural ad- equacy, with a consistent level of acceptable safety margins with respect to the analytical and numerical solutions. The second contribution is the realization of analytical models for bolted joints, with an emphasis on joint stiffness and force distribution. Existing standards (VDI 2230 and NASA TM 106943) were investigated, and a general algorithm was developed to account for multi-material and multi- stack flanges that are not as detailed in the standards. Validation was based on comparable benchmark problems and finite element analyses, with accuracy of the analytical solutions within several percentage points and confirmed issues facing the existing standards. Overall, the thesis makes both methodological and application contributions: the pro- duction ready MGSE design package, and a validated analytical methodology for bolted joint analysis applicable to commercial software packages. Such results contribute to the enhancing of the safety, reliability, and standardization of ground support systems for modular space missions.

LesemprepiùcomplessestrutturespazialimodularirichiedonospecificiMechanicalGround Support Equipment (MGSE) in grado di garantire la movimentazione, l’integrazione e la verifica sicura dell’hardware di volo. Questa tesi si concentra sulla progettazione, realizzazione e verifica strutturale degli MGSE per la struttura rideshare HIVE QM3, nell’ambito del progetto RESTORE. Il primo contributo consiste nello sviluppo completo del ciclo di progettazione di tre sottosistemi MGSE: un Integration Table, un Tilting Table e un Lifting Frame. Sono stati definiti i requisiti tecnici, valutate le alternative concettuali e stabilite le configu- razioni CAD finali. La verifica strutturale è stata condotta mediante metodi analitici (trazione, taglio, flessione, instabilità) e simulazioni agli elementi finiti con condizioni al contorno realistiche. Entrambe le valutazioni hanno confermato l’adeguatezza strutturale, con margini di sicurezza coerenti tra soluzioni analitiche e numeriche. Il secondo contributo riguarda lo sviluppo di modelli analitici per i giunti bullonati, con particolare attenzione alla rigidezza del giunto e alla distribuzione degli sforzi. Sono stati analizzati gli standard esistenti (VDI 2230 e NASA TM 106943) e sviluppato un algoritmo generale in grado di gestire flange multi-materiale e multi-strato, configurazioni non trattate in dettaglio dagli standard attuali. La validazione è stata effettuata su problemi di riferimento e tramite analisi agli elementi finiti, mostrando un’accuratezza delle soluzioni analitiche entro pochi punti percentuali e confermando le criticità degli standard esistenti. Nel complesso, la tesi fornisce contributi sia metodologici che applicativi: un pacchetto di MGSE pronti per la produzione e una metodologia analitica validata per l’analisi dei giunti bullonati, applicabile anche a software commerciali. Tali risultati contribuiscono a migliorare la sicurezza, l’affidabilità e la standardizzazione dei sistemi di supporto a terra per missioni spaziali modulari.