The purposes of this thesis work are design, manufacturing and testing of main components of a bidirectional actuator for space application based on shape memory alloy wires. In particular the conceived actuator is a Pin Puller that allows the displacement of a pin in order to lock a double pendulum mechanism for a Fourier Transform Spectrometer for Mars, the MIMA instrument. MIMA (Martian Infrared Mapper) is a Fourier Transform spectrometer that had been designed to be mounted on the rover for the ExoMars mission whose aim is the analysis of Martian soil to reveal possible signs of life. The locking action is required to keep safe the double pendulum during launching and landing phases when the instrument is subjected to high levels of force and acceleration. Moreover, during the movement of the rover on the red Planet, a safe configuration of the double pendulum mechanism is required. The conceived actuator has been selected instead of existing common and commercial solutions mainly because allows to save mass (strict constraint for the instrument development) and power (limited resource for the payload). Moreover, the main innovation in this kind of actuator is the achievement of the bidirectional working without need of power for the static phases, meaning that the device is requiring power only during the transitions between two static phases. This behaviour is possible thanks to shape memory alloy wire, which allows shape recovery once heated above transformation temperature.

Gli obiettivi di questo lavoro di tesi sono la progettazione, la realizzazione e la caratterizzazione dei principali componenti di un attuatore bidirezionale per applicazioni aerospaziali basato su fili di lega a memoria di forma. In particolare l’attuatore ideato è un “Pin-Puller” che consente lo spostamento di un puntale in modo tale da bloccare un meccanismo a doppio pendolo per uno spettrometro a trasformata di Fourier per Marte, denominato MIMA. MIMA (Martian Infrared Mapper) è uno spettrometro di Fourier che è stato progettato per essere montato sul rover della missione ExoMars 2020, il cui scopo sarà quello di investigare il suolo marziano in modo tale da trovare possibili segni di vita. L’azione di bloccaggio esercitata dall’attuatore è richiesta per bloccare il doppio pendolo durante le fasi di lancio e atterraggio, quando lo strumento è soggetto a livelli alti di forza e accelerazione. Inoltre, durante il movimento del rover sul Pianeta Rosso, è necessario garantire che lo strumento sia bloccato per evitare danneggiamenti al sistema ottico . L’attuatore descritto in questo lavoro è stato selezionato come alternativa a soluzioni commerciali già esistenti principalmente perché permette di ridurre la massa allocata al sistema e di limitare (vincolo principale per lo sviluppo della strumentazione) la potenza (risorsa limitata per il carico utile) in fase di attuazione. La maggior innovazione in questo tipo di attuatore è il mantenimento della fase di apertura senza la richiesta di potenza, la quale è utilizzata solo durante le fasi transitorie. Questa particolare caratteristica è resa possibile grazie al dimensionamento del sistema di attuazione ed è legata all’utilizzo di fili a memoria di forma, i quali consentono di recuperare una determinata forma una volta attuati.

Development of a bidirectional actuator based on shape memory alloy

MOROSAN, NICU;BROGGI, SIMONE
2017/2018

Abstract

The purposes of this thesis work are design, manufacturing and testing of main components of a bidirectional actuator for space application based on shape memory alloy wires. In particular the conceived actuator is a Pin Puller that allows the displacement of a pin in order to lock a double pendulum mechanism for a Fourier Transform Spectrometer for Mars, the MIMA instrument. MIMA (Martian Infrared Mapper) is a Fourier Transform spectrometer that had been designed to be mounted on the rover for the ExoMars mission whose aim is the analysis of Martian soil to reveal possible signs of life. The locking action is required to keep safe the double pendulum during launching and landing phases when the instrument is subjected to high levels of force and acceleration. Moreover, during the movement of the rover on the red Planet, a safe configuration of the double pendulum mechanism is required. The conceived actuator has been selected instead of existing common and commercial solutions mainly because allows to save mass (strict constraint for the instrument development) and power (limited resource for the payload). Moreover, the main innovation in this kind of actuator is the achievement of the bidirectional working without need of power for the static phases, meaning that the device is requiring power only during the transitions between two static phases. This behaviour is possible thanks to shape memory alloy wire, which allows shape recovery once heated above transformation temperature.
BIFFI, CARLO ALBERTO
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
18-apr-2018
2017/2018
Gli obiettivi di questo lavoro di tesi sono la progettazione, la realizzazione e la caratterizzazione dei principali componenti di un attuatore bidirezionale per applicazioni aerospaziali basato su fili di lega a memoria di forma. In particolare l’attuatore ideato è un “Pin-Puller” che consente lo spostamento di un puntale in modo tale da bloccare un meccanismo a doppio pendolo per uno spettrometro a trasformata di Fourier per Marte, denominato MIMA. MIMA (Martian Infrared Mapper) è uno spettrometro di Fourier che è stato progettato per essere montato sul rover della missione ExoMars 2020, il cui scopo sarà quello di investigare il suolo marziano in modo tale da trovare possibili segni di vita. L’azione di bloccaggio esercitata dall’attuatore è richiesta per bloccare il doppio pendolo durante le fasi di lancio e atterraggio, quando lo strumento è soggetto a livelli alti di forza e accelerazione. Inoltre, durante il movimento del rover sul Pianeta Rosso, è necessario garantire che lo strumento sia bloccato per evitare danneggiamenti al sistema ottico . L’attuatore descritto in questo lavoro è stato selezionato come alternativa a soluzioni commerciali già esistenti principalmente perché permette di ridurre la massa allocata al sistema e di limitare (vincolo principale per lo sviluppo della strumentazione) la potenza (risorsa limitata per il carico utile) in fase di attuazione. La maggior innovazione in questo tipo di attuatore è il mantenimento della fase di apertura senza la richiesta di potenza, la quale è utilizzata solo durante le fasi transitorie. Questa particolare caratteristica è resa possibile grazie al dimensionamento del sistema di attuazione ed è legata all’utilizzo di fili a memoria di forma, i quali consentono di recuperare una determinata forma una volta attuati.
Tesi di laurea Magistrale
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