Grid structure optimisation of a composite launcher interstage for hot-staging separation

This thesis addresses the preliminary structural design and optimisation of a composite grid structure interstage for launch vehicles adopting the hot-staging separation technique. The study is motivated by the current interest of European Space Agency (ESA) in developing next-generation interstages for future launch systems. The analysed interstage consists of two main components: a cylindrical section, responsible for transmitting flight loads, and a truncated cone, which serves as a shield during the ignition of the upper stage. The applied loads used in the analyses were provided by ESA. The proposed methodology combines Finite Element (FE) analyses and a Genetic Algorithm (GA) optimisation approach for the preliminary sizing of the structures. Initially reference thin-walled configurations are analysed to determine their critical loads and sensitivity to geometric imperfections. The methodology is then extended to grid configurations featuring helical and hoop ribs. The GA-based optimisation, implemented within a numerical framework integrating optimisation and FE simulations, minimises mass while satisfying stability constraints. The results highlight the advantages of grid structures over conventional thin-walled shells, particularly in terms of imperfection sensitivity and post-buckling behaviour. A comparison between triangular and hexagonal grid geometries further demonstrates the influence of grid topology on stiffness and stability. The developed methodology provides a framework for the preliminary design and optimisation of composite grid structures in future launchers.

Questa tesi affronta la progettazione e l’ottimizzazione strutturale preliminare di un interstadio con struttura a griglia in materiale composito, destinato a lanciatori che adottano la tecnica di separazione dell'hot-staging. Lo studio è motivato dall'interesse dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA) nello sviluppo di interstadi di nuova generazione per futuri sistemi di lancio. L’interstadio analizzato è costituito da due componenti principali: una sezione cilindrica, responsabile della trasmissione dei carichi di volo, e un tronco di cono, che funge da scudo durante l’accensione dello stadio superiore. I carichi applicati nelle analisi sono stati forniti dall’ESA. La metodologia proposta combina analisi agli Elementi finiti (FE) e ottimizzazione mediante un Algoritmo Genetico (GA) per il dimensionamento preliminare delle strutture. In una prima fase vengono analizzate configurazioni di riferimento a parete sottile per determinarne i carichi critici e la sensibilità alle imperfezioni geometriche. La metodologia è quindi estesa alle configurazioni a griglia, caratterizzate da rinforzi elicoidali e circonferenziali. L’ottimizzazione basata su GA, implementata in un ambiente numerico che integra simulazioni di ottimizzazione e FE analisi, consente di minimizzare la massa nel rispetto dei vincoli di stabilità. I risultati evidenziano i vantaggi delle strutture a griglia rispetto alle pareti sottili, in particolare per la minore sensibilità alle imperfezioni e il miglior comportamento post-critico. Il confronto tra geometrie reticolari triangolari ed esagonali mostra inoltre l’influenza della topologia della griglia sulla rigidezza e sulla stabilità. La metodologia sviluppata fornisce un approccio per la progettazione preliminare di strutture a griglia in materiale composito destinate ai lanciatori di nuova generazione.