In orbita terrestre sono presenti oltre 700.000 detriti artificiali di diametro superiore ad 1 cm, risultato di esplosioni, frammentazioni e rilascio in fase di missione. Tali oggetti rappresentano un pericolo per tutte le attività spaziali, considerato che, per le alte velocità di impatto in orbita (2-15 km/s), le conseguenze sono catastrofiche sulle strutture e sui sistemi di bordo.
La fenomenologia degli impattai a queste velocità (impatti ad ipervelocità) è del tutto diversa dagli impatti a velocità convenzionali, con fusione dei materiali, generazione di plasma e di una nube di particelle che ha a sua volta impatti "secondari" ad alta energia.
Per studiare i fenomeni connessi agli impatti di detriti spaziali e sviluppare nuove metodologie di protezione è necessario creare sistemi in grado di replicare a terra le condizioni operative caratteristiche dell'ambiente spaziale.
In questo modo si potranno sviluppare modelli numerici predittivi che permettano, in sinergia con i test a terra, di poter arrivare alla progettazione ottima di sistemi schermanti.
L'obiettivo della ricerca è lo studio di un sistema di prova a terra di impatti ad ipervelocità, basato su un acceleratore lineare che sfrutta la forza di Lorentz per accelerare un oggetto contro un elemento di prova, sulla base dei risultati preliminari ottenuti dai proponenti in questo settore, anche oggetto di un precedente finanziamento di Ateneo, che hanno portato alla realizzazione di un primo prototipo di in LEA (Linear Electromagnetic Accelerator).
Il risultato atteso è il miglioramento delle prestazioni soprattutto in termini di incremento della velocità e sopratutto della ripetibilità delle condizioni di impatto, come strumento di prova e validazione delle protezioni orbitali da impatti di Micro Meteoroids e Orbital Debris (MMOD).
Il sistema proposto rappresenta una sostanziale innovazione nel campo di studi degli impatti ad ipervelocità essenzialmente per due motivi: possibilità di effettuare prove con corpi impattanti della grandezza di qualche centimetro (1.5 x 1.5 cm di sezione e lunghezza di 3 - 4 cm) di materiali di vario tipo e del peso di qualche grammo ( fino a circa 15 gr) con velocità modulabili in base alle tensioni di carica dei condensatori;
- test di impatto in ambiente controllato dal punto di vista della pressione, cioè in vuoto, replicando condizioni simili alle orbite basse (LEO).
Fino ad ora i sistemi per test di impatti ad elevatissima velocità avevano la possibilità di scagliare sul target da testare soltanto oggetti di forma sferoidale di piccole dimensioni e peso (dimensioni nell'ordine dei millimetri e peso dei milligrammi) a velocità non propriamente modulabili, quindi non replicanti quelle che poi sono le condizioni reali degli impatti in orbita, e cioè con oggetti di forma e materiali di diversa tipologia. Un sistema come il LEA permette invece di modulare sia le dimensioni ed i pesi del corpo impattante, con geometrie non per forza sferoidale ( si pensi a corpi tipo le ogive , quindi con un potere penetrativo superiore rispetto ad una sfera), sia di modulare le velocità di impatto agendo sul numero dei condensatori utilizzati e sulla loro carica attraverso appositi circuiti progettati ad hoc ( PFN: Pulse Forming Network).
Progettando nella maniera ottimale il circuito di scarica, si riesce a dilatare nel tempo l'impulso utile della scarica ed calcolando la lunghezza dell'apparato in funzione di tale impulso si riesce ad ottimizzare l'energia che va scaricata sul corpo impattante, cioè l'energia di impatto, minimizzando le perdite. Si capisce anche come rispetto ad un corpo con peso nell'ordine dei milligrammi con velocità di Km/s , l'energia di un corpo scagliato da un apparato come il LEA che si vuole realizzare sia circa mille volte superiore.
Per ciò che riguarda il confinamento del sistema si è pensato di inserire il nuovo apparato all'interno di un sistema di contenimento nel quale si possa applicare il vuoto in modo da ricreare le condizioni di ambiente orbitale spaziale.
Nessun sistema del tipo EM fino ad ora realizza questo obbiettivo.
Il sistema di contenimento è stato ideato e parzialmente realizzato utilizzando dei tubi cilindrici in accaio disponibili presso i laboratori del DIAEE in via Salaria (sede del vecchio Centro di Ricerche Aerospaziali - CRA) che costituivano parte integrante della galleria del vento ipersonica (velocità fino a Mach 12) ormai in disuso da decenni; alcuni di essi sono stati dissassemblati e rimessi a nuovo inoltre sono state realizzate alcune flange di connessione e una piastra di supporto scorrevole per realizzare il sistema di contenimento del railgun.
Quando l'impianto sarà pienamente operativo permetterà al dipartimento e quindi all'ateneo di porsi all'avanguardia nel campo di studi degli impatti ad elevatissima velocità, diventando una eccellenza in Italia e fornendo un sistema nuovo e diverso da tutti gli altri per questo settore di ricerche, anche relativamente a ciò che offre il panorama internazionale.
Questo tipo di apparato potrà essere la base di sviluppo di nuove metodologie di mitigazione dello space debris e per nuovi apparati propulsivi di tipo EM per sistemi spaziali futuri.
Infine tale impianto potrà essere utilizzato per sviluppare e testare materiali e strutture per applicazioni balistiche per la protezione di personale , mezzi e infrastrutture da utilizzare in scenari tipici delle azioni militari e/o di sicurezza interna attuali, ad esempio protezione da schegge di improvised explosive device (IED).
Gli obiettivi dell precedente ricerca di Ateneo vengono quindi ampliati e resi concreti dopo l'assegnazione del progetto di ristrutturazione dei locali del DIAEE in Via Salaria, secondo le regolari procedure dell'Ateneo, per cui si prevede di assegnare e completare i lavori nel giro di pochi mesi, con fondi messi a disposizione dal DIAEE.
Con la presente proposta, si potranno raffinare le metodologie per l'analisi degli impatti a ipervelocità e predisporre le attrezzature in modo adeguato.