Comparative analysis of shock propagation simulation methods in spacecraft structures

The structural integrity of a satellite and its onboard instruments can be jeopardized by shocks especially during the satellite’s launch phase. Currently, accurately predicting the propagation and magnitude of high-frequency shock waves remains a significant challenge in engineering. This thesis analyses the effectiveness of numerical simulation of shocks induced by the release of the clampband for detaching the satellite from the launcher, identified as one of the main sources of impulse loading. The objective is to compare the performance of two simulation methods, implicit and explicit, to determine their predictive capability. The approach is based on a review of the technical literature relating to international space agency standards and the use of numerical models. The two solution methods were compared with each other and with experimental data, allowing both their accuracy and computational efficiency to be evaluated and their optimal conditions of use to be identified. The results, analysed using acceleration time histories, Shock Response Spectra and Fast Fourier Transforms, show convergence between the implicit and explicit models. However, the comparison with the experimental data reveals significant non-systematic discrepancies, which limit the ability of these simulations to reliably predict the behaviour of structures at high frequencies. In conclusion, although numerical simulation is a valuable tool for comparative analysis, it cannot yet replace the experimental campaigns necessary for characterisation and qualification with respect to shock loads.

L’integrità strutturale di un satellite e dei suoi strumenti di bordo può essere compromessa da eventi di shock, in particolare durante la fase di lancio del satellite. Ad oggi, la previsione accurata della propagazione e dell’entità delle onde d’urto alle alte frequenze rappresenta ancora una sfida significativa in ambito ingegneristico. La presente tesi analizza l’efficacia della simulazione numerica degli shock indotti dal rilascio della clampband per il distacco del satellite dal lanciatore, identificato come una delle principali sorgenti di carico impulsivo. L’obiettivo è confrontare le prestazioni di due schemi di integrazione numerica, implicito ed esplicito, per determinarne la capacità predittiva. La metodologia si basa su una revisione della letteratura tecnica relativa agli standard delle agenzie spaziali internazionali e sull’utilizzo di modelli numerici. I due metodi di soluzione sono stati confrontati tra loro e con i dati sperimentali, consentendo di valutarne sia l’accuratezza sia l’efficienza computazionale e di identificarne le condizioni ottimali di utilizzo. I risultati, analizzati tramite storie temporali di accelerazione, Shock Response Spectra e Fast Fourier Transforms, evidenziano una convergenza tra i modelli impliciti ed espliciti. Tuttavia, il confronto con i dati sperimentali rivela discrepanze significative non sistematiche, che limitano la capacità di queste simulazioni di prevedere con affidabilità il comportamento delle strutture alle alte frequenze. In conclusione, sebbene la simulazione numerica costituisca un valido strumento per analisi comparative, essa non può ancora sostituire le campagne sperimentali necessarie alla caratterizzazione e alla qualifica rispetto ai carichi di shock.