Development of a SMA-based torsional hinge for radiative surface deployment

Developed for academic use, but soon established as an interesting technology for low cost space research, Cubesats have undergone a rapid evolution in the last decade, leading to more complex configurations and more powerful electronics on board. As a result, the demand for increasingly efficient thermal management systems paved the way to the introduction of new solutions. The shape memory alloys are well known for their exceptional properties, such as their capability to recover large strains, and they are already exploited for a wide range of applications, also in the space field. The large forces that the SMA can generate over a broad range of temperature, make them eligible to replace the traditional solutions for an actuation mechanism, with a reduction of complexity and an increase of reliability. Starting from this concept, the present work aims to develop a technological demonstrator for a SMA-based torsional hinge to be mounted on a 12U Cubesat, as the mechanism for the deployment of a radiator panel. Such mechanism will exploit the torsion of the central section of an s-shaped SMA tube, activated by a hot fluid flowing inside it from the body of the satellite, thus realizing an autonomous system for temperature control. The choice of the material for this application, a series of NiTinol tubes kindly provided by CNR, and a basic thermal characterization was performed in a previous work, in which the configuration of the hinge was also established. The activity begins with a thermal processing performed on the tubes, with the aim of tuning the transformation temperatures to match the requirements of the Cubesat application, then continues with a torsional characterization of the processed samples. Subsequently, a shaping phase is carried out to impose a s-shape to the NiTinol specimen. This phase involves the design and manufacturing of a mold with an s-shaped incision, the placement of the tubes in such mold, and the thermal treatment that provides the final shape. Finally, a demonstrator for the morphing hinge is produced with a 3D printer, to mimic the radiator on the Cubesat: it features two panels, one fixed and the other movable, which are held together by the Nitinol tube. The movable panel is able to rotate, with respect to the fixed one, around the tube axis, generating a torsion on the straight section of the tube. When heated up, the tube recovers the imposed deformation and re-aligns the panels, deploying the movable one to an open position. Several tests are carried out to assess the capability of such hinge to move the panel to an open configuration, and to prove the feasibility of this design .

Sviluppati per uso accademico, ma presto stabilitisi come una tecnologia interessante per la ricerca spaziale a basso costo, i Cubesats hanno subito una rapida evoluzione nell'ultimo decennio, portando a configurazioni sempre più complesse e a un'elettronica di bordo più potente . Di conseguenza, la richiesta di sistemi di gestione termica sempre più efficienti ha aperto la strada all'introduzione di nuove soluzioni. Le leghe a memoria di forma sono ben note per le loro eccezionali proprietà, come la capacità di recuperare grandi deformazioni, e sono già sfruttate per una vasta gamma di applicazioni, anche in campo spaziale. Le grandi forze che gli SMA possono generare su un ampio intervallo di temperature, li rendono idonei a sostituire le soluzioni tradizionali per un meccanismo di attuazione, con una riduzione della complessità e un aumento dell'affidabilità. Partendo da questo concetto, il presente lavoro mira a sviluppare un dimostratore tecnologico per una cerniera torsionale basata sugli SMA da installare su un Cubesat 12U, come meccanismo per il dispiegamento di un pannello radiatore. Tale meccanismo sfrutterà la torsione della sezione centrale di un tubo SMA a forma di s, attivata da un fluido caldo che scorre al suo interno direttamente dalla struttura del satellite, realizzando così un sistema autonomo di controllo della temperatura. La scelta del materiale per questa applicazione, una serie di tubi in NiTinol gentilmente forniti dal CNR, e una caratterizzazione termica di base, sono state eseguite in un lavoro precedente, in cui è stata anche stabilita la configurazione della cerniera. L'attività inizia con un trattamento termico eseguito sui tubi, con l'obiettivo di impostare le temperature di trasformazione per soddisfare i requisiti dell'applicazione sul Cubesat, poi continua con una caratterizzazione torsionale dei campioni trattati. Successivamente, viene eseguita una fase di sagomatura per imporre una forma ad S al campione di NiTinol. Questa fase comporta la progettazione e la fabbricazione di uno stampo con un'incisione a forma di s, il posizionamento dei tubi in tale stampo, e il trattamento termico che fornisce la forma finale. Infine, un dimostratore per la cerniera torsionale viene realizzato con una stampante 3D, per imitare il meccanismo di dispiegamento sul Cubesat: esso presenta due pannelli, uno fisso e l'altro mobile, che sono vincolati insieme dal tubo di Nitinol. Il pannello mobile è in grado di ruotare, rispetto a quello fisso, attorno all'asse del tubo, generando su di esso una torsione. Quando viene riscaldato, il tubo recupera la deformazione imposta e riallinea i pannelli, schierando quello mobile in posizione aperta. Infine, diverse serie di test vengono eseguite per valutare la capacità di tale cerniera di spostare il pannello in una configurazione aperta, e per provare la fattibilità di questo progetto.