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Questions and Answers
Qual è uno dei principali materiali utilizzati per i lanciatori spendibili oggi?
Qual è il problema principale relativo allo scudo termico all’atterraggio?
Cosa viene utilizzato all'interno del bordo d'attacco come pompa di calore?
Qual è la funzione principale dei canali presenti nel bordo d'attacco?
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Cosa causa il fenomeno chiamato outgassing nella struttura microscopica dei materiali?
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Qual è l'obiettivo della progettazione dei materiali aerospaziali riguardo al peso?
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Qual è uno degli svantaggi correlati all'uso di materiali leggeri nei lanciatori?
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Qual è una delle sollecitazioni maggiori subite dai satelliti durante il lancio?
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Qual è il primo passaggio nel procedimento operativo del problema funzionale?
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In quale caso si desidera minimizzare la massa?
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Quali grandezze rappresentano i vincoli nella progettazione della biella?
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Qual è l'indice di merito del materiale utilizzato per la progettazione?
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Cosa si deve fare dopo aver definito i requisiti di progetto?
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Qual è la relazione fondamentale utilizzata per calcolare la massa?
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Cosa si deve identificare per ottimizzare la prestazione del materiale?
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Nel dimensionamento a rigidezza, quale tipo di struttura viene analizzata?
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Quale materiale è stato principalmente utilizzato tra il 1920 e il 1980 per sostituire il legno nell'industria aerospaziale?
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Qual è la principale caratteristica meccanica dell'alluminio e del magnesio rispetto all'acciaio?
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Quale fenomeno è tipico delle strutture in parete sottile di acciaio?
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Quali materiali compositi sono attualmente impiegati per la fusoliera della maggior parte dei velivoli civili?
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Per quale motivo il legno si è rivelato problematico nell'industria aerospaziale?
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Che tipo di materiali sono i CMC?
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Qual è un requisito per i velivoli militari in relazione ai materiali utilizzati?
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Che problemi si sono trascurati riguardo al legno fino agli anni '20?
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Qual è il principale vantaggio dell'uso del titanio nei motori aerospaziali?
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Quale affermazione riguardo ai materiali compositi è corretta?
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Qual è uno degli svantaggi dell'utilizzo di materiali compositi?
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Quale velivolo è stato il primo a utilizzare materiali compositi in campo civile?
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Quali sono le performance termiche dei materiali compositi?
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Qual è una delle caratteristiche meccaniche delle fibre nei materiali compositi?
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Quali problemi si associano ai materiali compositi in termini di utilizzo?
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Qual è una delle limitazioni nei materiali compositi rispetto ai metalli?
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Qual è il risparmio di peso che gli impennaggi in carbonio possono portare?
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Quale materiale viene utilizzato nella fusoliera dell'A380?
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Qual è la principale differenza tra il comportamento del metallo e del carbonio in caso di urti?
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Che tipo di carico deve considerare la fusoliera durante il volo?
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Quanto peso può risparmiare l'impiego di compositi nella fusoliera dell'A380?
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Cosa succede alla fusoliera durante le fasi di decollo e atterraggio?
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Quale componente del Boeing B-787 è noto per la sua massiccia presenza di materiali compositi?
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Qual è la pressione che si mantiene in quota, utile per il benessere dei passeggeri?
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Study Notes
Evoluzione dei Materiali Aerospaziali
- Prima dell'utilizzo dell'alluminio, l'acciaio ha sostituito il legno come materiale principale.
- Negli anni '20-'80 l'alluminio e il magnesio sono stati impiegati con successo a causa della loro leggerezza.
- I materiali compositi sono stati introdotti negli anni '70 e '80 e oggi costituiscono la fusoliera della maggior parte degli aerei civili.
- I materiali compositi convenzionali sono costituiti da fibre rinforzate in una matrice, di solito polimerica, e possono resistere a temperature elevate.
- I metalli utilizzati nell'industria aerospaziale, come l'alluminio e il magnesio, presentano caratteristiche meccaniche inferiori all'acciaio, quindi si necessita di uno spessore maggiore per ottenere le stesse prestazioni.
- I materiali compositi offrono miglior resistenza alla fatica rispetto ai metalli, sono leggeri e offrono un'efficienza strutturale superiore.
Problematiche dei Materiali Aerospaziali
- Il legno è un materiale problematico in ambito aerospaziale a causa della sua suscettibilità alla fatica e al degrado ambientale.
- Le strutture in acciaio a parete sottile vengono utilizzate per ridurre il peso degli aerei, ma sono soggette a buckling, un fenomeno di instabilità tipico dei profili sottili.
- Le alte temperature generate dal riscaldamento cinetico a velocità elevate richiedono materiali resistenti al calore.
- I requisiti per i velivoli militari includono la resistenza alle alte temperature a quote elevate.
Confronto Tra Legno e Materiali Compositi
- I materiali compositi offrono una resistenza termica superiore rispetto al legno.
- Le fibre di carbonio sono fragili, ma offrono un'elevata resistenza e leggerezza, rendendole adatte per realizzare strutture aeronautiche.
- Negli aerei, gli impennaggi in carbonio possono ridurre il peso del 30 %, mentre la fusoliera del 20%.
- La fusoliera dell'A380 è realizzata in glare, un composito di metallo e vetroresina, che offre una maggiore resistenza e leggerezza.
- Il Boeing B-787 utilizza una fusoliera interamente costruita in fibra di carbonio, che consente una maggiore resistenza alla differenza di pressione tra la crociera e il decollo/atterraggio.
Il Rilevanto dei Compositi per l'Aviazione Civile
- Il Boeing 767 è stato il primo aereo civile a utilizzare i compositi nelle strutture secondarie di controllo dei comandi di volo.
- Successivamente, i compositi sono stati applicati per la costruzione di impennaggi e ali.
- L'utilizzo dei compositi per la fusoliera è stato un passo significativo, in quanto offre una maggiore resistenza e leggerezza rispetto ai metalli.
- L'A380 ha realizzato un risparmio in termini di peso di circa 15 tonnellate grazie all'utilizzo del glare.
Lanciatori e Requisiti dei Materiali Spaziali
- Il materiale utilizzato per i lanciatori spendibili è passato dall'alluminio al filament winding, una tecnica di avvolgimento di fibra a basso costo.
- I lanciatori spendibili sono costituiti da un grosso cilindro con irrigidimenti interni che permettono di sopportare i carichi di compressione al decollo.
- Lo Space Shuttle ha un sistema di protezione termica realizzato in piastrelle ceramiche su un substrato flessibile di polimero.
- I satelliti sono sollecitati solo al decollo da accelerazioni elevate e in orbita non sono soggetti a grandi carichi.
- I satelliti sono soggetti a un fenomeno chiamato outgassing, ovvero la fuoriuscita di gas intrappolato all'interno della struttura microscopica del materiale.
Metodi per Ottimizzare l'Utilizzazione dei Materiali
- Un metodo per ottimizzare l'utilizzo dei materiali è il processo di problem functional, che prevede:
- Definizione dei requisiti del progetto (funzione, obiettivo, vincoli);
- Scrivere la funzione obiettivo in termini di requisiti, geometria e proprietà del materiale;
- Identificare le quantità variabili;
- Scrivere l'equazione che esprime i vincoli;
- Sostituire nella funzione obiettivo il vincolo e la dipendenza dalle variabili;
- Raggruppare le variabili in tre gruppi: requisiti, geometria e proprietà del materiale;
- Identificare l'indice di merito del materiale che ottimizza la prestazione.
Esempio di Ottimizzazione di una Biella in Trazione
- Si punta a minimizzare la massa della biella.
- La funzione obiettivo è quella di sopportare un dato carico F.
- L'equazione del vincolo della forza tiene conto della forza, dell'area e dello sforzo di snervamento del materiale.
- La massa è definita come prodotto di densità e volume.
- L'indice di merito del materiale è un termine quantitativo che rappresenta il rapporto tra lo sforzo di snervamento e la densità, il cui valore è un indicatore della resistenza del materiale.
Esempio di Ottimizzazione di una Trave Soggetta a Flessione
- Si punta a minimizzare la massa della trave soggetta a flessione.
- L'equazione del vincolo tiene conto del momento flettente, del modulo di elasticità del materiale e delle dimensioni della trave.
- L'indice di merito è un termine quantitativo che rappresenta il rapporto tra il modulo di elasticità e la densità, il cui valore è un indicatore della rigidità del materiale.
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Description
Questo quiz esplora l'evoluzione dei materiali utilizzati nell'industria aerospaziale, dall'acciaio all'alluminio e ai materiali compositi. Scoprirai l'importanza di questi materiali nella costruzione degli aerei e le loro caratteristiche meccaniche. Inoltre, analizzeremo le problematiche legate a ciascun materiale.