Preliminary design of a metallic interstage structure for launch vehicle hot-staging

The purpose of this thesis is to investigate the preliminary structural design of a metallic interstage for AVIO’s next-generation Vettore Europeo di Generazione Avanzata (VEGA), employing hot-staging separation. The study is conducted within the framework of a European Space Agency project and focuses exclusively on the mechanical design of two components, with thermal effects excluded, as they will be part of a future study. The first component is a vented cylindrical shell comprising three primary load-bearing stainless steel pillars, with the remaining circumference formed by curved aluminum alloy vented plates to ensure proper exhaust gas evacuation. The second is a truncated cone deflector that redirects the exhaust flow, contributes to the separation force, and is internally stiffened by an orthogrid of stringers and frames. Both components are designed to ensure structural stability and strength under operational loads while minimizing mass and ensuring manufacturability. The methodology combines analytical formulations with the finite element analyses in ABAQUS. Analytical models verify and complement the numerical simulations: a modified curved plate buckling theory is applied to the vented cylinder to assess load redistribution and global buckling, while the Smeared Stiffener Method models the reinforced cone. Numerical analyses then refine the evaluation of critical loads, post-buckling response and strength margins. The investigation of multiple configurations leads to a final design with geometries that satisfy the mass and structural requirements. The cylinder presents ogival vents, reducing stress concentrations, and the deflector is reinforced by T-stringers and Omega-frames, improving buckling resistance. The close agreement between analytical predictions and numerical results confirms the validity of the proposed sizing methodology. This work establishes a preliminary design approach for metallic interstages employing hot-staging, offering guidance on vent geometry, material allocation, and stiffener configuration, and laying the foundation for future thermo-mechanical studies.

Questa tesi studia il progetto strutturale preliminare di un interstadio metallico per il Vettore Europeo di Generazione Avanzata (VEGA) di nuova generazione di AVIO, con separazione mediante hot-staging. Lo studio è svolto nell’ambito di un progetto dell’Agenzia Spaziale Europea e si concentra esclusivamente sulla progettazione meccanica di due componenti, escludendo gli effetti termici che saranno parte di studi futuri. Il primo componente è un cilindro con tre pilastri in acciaio inossidabile che sostengono i carichi principali, mentre il resto della circonferenza è costituito da pannelli curvi in lega di alluminio con feritoie, per espellere correttamente i gas. Il secondo è un deflettore tronco-conico che ridirige il flusso dei gas e contribuisce alla forza di separazione, irrigidito internamente da un sistema di longheroni e ordinate. L’obiettivo è individuare la configurazione ottimale che garantisca stabilità e resistenza ai carichi operativi, mantenendo al contempo massa ridotta e assicurando la manifatturabilità. La metodologia combina formulazioni analitiche con analisi a elementi finiti in ABAQUS. I modelli analitici verificano le simulazioni: per il cilindro si adotta una teoria modificata dell’instabilità delle piastre curve, per il cono il Metodo degli Irrigidimenti Equivalenti. Le analisi numeriche permettono di valutare i carichi critici, il comportamento post-instabilità e i margini di resistenza. La valutazione di diverse configurazioni porta a un progetto finale con geometrie che soddisfano i requisiti strutturali e di massa. Il cilindro presenta feritoie ogivali, che riducono gli sforzi, e il deflettore è rinforzato con longheroni a T e ordinate a Omega, migliorando la resistenza all'instabilità. La coerenza tra risultati analitici e numerici conferma l’affidabilità dell’approccio. Il lavoro fornisce un metodo per la progettazione preliminare di interstadi con separazione hot-staging, offrendo indicazioni pratiche su geometria delle feritoie, materiali e scelta degli irrigidimenti, e ponendo le basi per futuri studi termo-meccanici.