Feasibility study to actively compensate deformations of composite structure in space environment

It is important to maintain the stringent dimensional stability of space telescope structures for the acquisition of high quality images and of the high-level measurement instruments. The dimensional stability of a space structure is affected by thermal changes and outgassing effects. Recently several solutions in order to increase the dimensional stability were developed. An active compensation method for the deformation of composite structures using additional controllable metal part is proposed and its feasibility is experimentally investigated in simulated space environment. Composite specimens are tested in a vacuum chamber, which is able to maintain the pressure in the order of 10-3 torr and to control the temperature of the interior environment in a range of ±20 ˚C. The displacement-measuring interferometer system, which consists of a heterodyne HeNe laser and an interferometer, is used to measure the displacement of the whole structure. Meanwhile strain of composite part and temperature of both parts are measured by fiber Bragg grating sensors and thermistors, respectively. The displacement of the whole structure is maintained within a tolerance of ±1 μm by controlling the elongation of the metal part, which is bonded to the end of the composite part. Also, the possibility of fiber Bragg grating sensors as control input sensors is successfully demonstrated using proper corrective factor based on the specimen temperature gradient data.

Nel mondo dei telescopi spaziali e degli strumenti di misura ad altissima precisione, è di particolare importanza la stabilità dimensionale, intesa come la capacità della struttura stessa di mantenere la propria forma e dimensione nell’intorno di un valore predefinito. Tale stabilità nell’ambiente spaziale è soggetta a effetti termici, di outgassing e radioattivi. Recentemente l’incremento della stabilità dimensionale di strutture spaziali tramite soluzioni di controllo attivo è stato oggetto di studio e di ricerca. In tale trattato sarà proposta una soluzione per la compensazione attiva delle deformazioni di strutture spaziali sfruttando le caratteristiche di elongazione termica di una parte metallica, e sarà studiata la sua fattibilità utilizzando strumentazione ad alta precisione compatibile con l’ambiente spaziale. Tale studio è stato affrontato in un primo momento utilizzando l’analisi a elementi finiti e in un secondo momento per via sperimentale, simulando l’ambiente spaziale in una camera a vuoto capace di mantenere la pressione nell’ordine dei 10-3 torr e controllare la temperatura dell’ambiente interno nell’intervallo di ±30 ˚C. Per misurare l’allungamento dell’intera struttura, composta dall’unione longitudinale della parte metallica e della parte di composito, è stato utilizzato un sistema interferometrico che consiste in un HeNe laser eterodino e in un interferometro. Nel frattempo lo sforzo della sola parte di composito è stato misurato da sensori a fibra ottica con grata di Bragg (fiber Bragg grating sensors) e la temperatura sia della parte di composito che della parte metallica è stata misurata da sensori termici. L’elongazione dell’intera struttura è stata mantenuta nell’intorno dello zero nel rispetto di una tolleranza di ±1 μm, controllando termicamente l’elongazione della parte metallica. Infine è stata dimostrata con successo la possibilità di poter utilizzare le fibre ottiche a grata di Bragg come ingresso di controllo, usando un fattore correttivo basato sul gradiente longitudinale di temperatura appositamente progettato per l’esperimento.