CubeSat radiator deployment with a shape memory alloy (SMA) actuator

The continuous development of CubeSat technology in the space field creates the need for more and more developed electronics and therefore for increasingly efficient radiators in order to dissipate internal heat. Among all the solutions studied for radiator deployment, the SMA technology is an innovative solution: in fact an actuator of this material could be used as a kinematic joint that connects two thermal systems. The activation of the radiator could take place through the thermal flow that flows from the heart of the satellite towards the removable panel. The sizing and the shape of the actuator was carried out thanks to the analysis of the dimensions of the other mechanisms integrated on the satellite panel. In addition, an in-depth trade-off between the different SMA materials on the market, is presented. This leads to the choice of Nitinol as the material for the actuator. This study, conducted in Chapter ef{sat}, reveals that the actuator will be a tube with a maximum length of 150 mm. Once all the characteristics of the actuator are chosen, thermomechanical studies were conducted to verify that there are no issues in the interactions between the various components during thermal shocks. Section ef{settest} describes the process for designing the set-up and torsional mechanism to test the tube. The tests, conducted in the environmental chamber of the Politecnico di Milano, are classified according to their purpose: static tests, dynamic tests and thermal cycles. The static tests have the purpose of characterize the Nitinol sample, whose shear modulus is not given and is necessary to verify the SME. The results obtained are consistent with those found in the literature for the tested material. The dynamic tests, on the other hand, show the behavior of the tube once loaded in the martensitic phase. Finally, thermal cycles show the ability of the material to recover the initial deformation caused by the initial load. The results obtained in the various tests confirm that the Nitinol tube can achieve shape recovery percentages (SME) far higher than those required for the functioning of the final application. To increase the robustness of the tests and the knowledge of the torsional behavior of the SMA tube, further experiments with higher loads are necessary. This thesis is part of a collaboration project between Politecnico di Milano and Agenzia Spaziale Italia (ASI), aiming to design shape memory alloys actuators for space applications.

Il continuo sviluppo della tecnologia CubeSat in campo spaziale crea la necessità di un'elettronica sempre più avanzata e quindi di radiatori sempre più efficienti per dissiparne il calore interno. Tra tutte le soluzioni studiate per il dispegamento del radiatore, la tecnologia SMA si presenta come una soluzione innovativa: infatti un attuatore di questo materiale potrebbe essere utilizzato come uno snodo che collega due sistemi termici. L'attivazione del radiatore può avvenire attraverso il flusso, che dal cuore del satellite fluisce verso il pannello estraibile. Il dimensionamento e la forma dell'attuatore è stato condotto grazie all'analisi degli ingobri degli altri meccanimi presenti sul pannello satellitare. Inoltre, viene presentato un approfondito trade-off tra i diversi materiali SMA presenti sul commercio fino alla scelta del Nitinol come materiale per l'attuatore. Questo studio, condotto nel Capitolo ef{sat}, rivela che l'attuatore sarà un tubo con una lunghezza massima di 150 mm. Una volta scelte tutte le caratteristiche dell' attuatore, sono stati condotti degli studi termomeccanici per verificare che non ci siano problemi nelle interazioni tra i vari componenti durante gli sbalzi termici. Nella Sezione ef{settest} viene descritto il processo per il design del set-up e del meccanismo a torsione per testare il tubo. I test, condotti nella camera ambientale del Politecnico di Milano, vengono suddivisi secondo la loro finalità: prove statiche, prove dinamiche e cicli termici. Le prove statiche hanno la finalità di caratterizzare il campione di Nitinol, il cui modulo di taglio non è dato ed è necessario per verificarne lo SME. I risultati ottenuti rispettano quelli riscontrabili in letteratura per il materiale in studio. Le prove dinamiche, invece, mostrano il comportamento del tubo una volta caricato in fase martensitica. Infine, i cicli termici mostrano la capacità del materiale di recuperare la deformazione iniziale creata dal carico iniziale. I risultati ottenuti nei vari test confermano che il tubo di Nitinol può raggiungere percentuali di recupero di forma (SME) di gran lunga superiori a quelli richiesti per il funzionamento dell'applicazione finale. Per rendere più robusti i test eseguiti e la conoscenza del comportamento a torsione del tubo SMA, sono necessari ulteriori test con carichi maggiori. Questo elaborato di tesi rientra nel progetto di collaborazione tra Politecnico di Milano ed Agenzia Spaziale Italiana (ASI), avente come scopo la progettazione di sistemi di attuazione in lega a memoria di forma per applicazioni spaziali.