Dynamic model and system design of a 1U Cubesat drag sail module

Nowadays, the large amount of objects in LEO consists of debris, so de-orbiting strategies must be implemented to ensure satellite disposal after its EoL. In LEO the atmospheric drag is the dominant force, so drag sails are used to quicken the satellite re-entry. One issue of such devices is that they largely depend on attitude control. A potential solution is to model the sail as a pyramid to remain aligned with the relative wind direction. The scope of this work is to analyse this geometry and provide a solution to sail storage in a 1U CubeSat module. The implemented dynamical model simulates the CubeSat orbital and attitude motion during de-orbiting, to numerically prove the stabilization effect of the pyramidal sail. It takes into account the major environmental disturbances acting on the satellite, which are drag, solar radiation pressure and gravitational effects; in addition, the sail surfaces’ self-shadowing was analysed to have a more complete description of drag and SRP effects. The model was used to test several initial conditions in terms of orbital parameters, understanding the limits of the pyramidal sail as a passive attitude stabilization device. The second part of this work is dedicated to the preliminary design of the module. Firstly, the sail’s supports were selected: inflatable booms were preferred since they guarantee an extremely compact configuration, when folded using the Miura-Ori pattern. This origami technique shows also a straight deployment, as demonstrated by the implemented kinematic model. Moreover, an inflation system guarantees proper pressure level inside the booms. Secondly, the sail folding technique was laid out: the double z-folding was preferred as it ensures ease of manufacturing, compactness and opening simplicity. Finally, the design parameters were selected using a genetic algorithm optimization to test several combinations and determine the most suitable to achieve acceptable booms stiffness, disposal performance and building feasibility.

Oggigiorno, una grande quantità di oggetti in orbita è costituita da detriti spaziali; per tale motivo è necessario implementare delle strategie atte a smaltire i satelliti in disuso. Dato che la principale forza agente in orbita bassa è la resistenza atmosferica, l’impiego di particolari vele consente di velocizzare il rientro di piccoli satelliti. Un problema di tali dispositivi è richiedono un maggiore utilizzo del sistema di controllo d’assetto. Tuttavia, questo problema può essere ovviato modellando la vela a forma piramidale, in modo che il satellite rimanga autonomamente allineato alla direzione del vento. Lo scopo di questo lavoro è analizzare tale geometria e fornire una soluzione per l’immagazzinamento di tale sistema in un’unica unità di CubeSat. In primo luogo è stato implementato un modello che simula sia il moto orbitale del satellite che il suo assetto. Tale modello tiene conto dei principali disturbi tipici dell’ambiente spaziale come la resistenza atmosferica, la radiazione solare e gli effetti gravitazionali; inoltre, per una descrizione più accurata, gli effetti dell’ombra prodotta dal satellite su se stesso sono stati tenuti in considerazione. Il modello è stato quindi utilizzato per testare diverse condizioni iniziali in termini di parametri orbitali e definire i limiti di utilizzo della vela. La seconda parte del lavoro è incentrata sulle tecnologie utilizzate per la progettazione del modulo. Come primo passo sono state selezionate delle strutture gonfiabili come supporti per mantenere la vela in posizione una volta dispiegata. Tale scelta è dovuta al fatto che esse risultano estremamente compatte se piegate seguendo lo schema Miura-Ori. Questa tecnica permette anche di ottenere un dispiegamento lineare, come è anche stato dimostrato dal modello cinematico implementato. E’ inoltre presente un sistema di gonfiaggio per garantire la pressione corretta all’interno dei suddetti supporti. Il passo successivo è stato quello di selezionare la tecnica di piegatura della vela: la scelta è ricaduta sulla piegatura a doppia-z in quanto permette di ottenere sia facilità di fabbricazione, che compattezza e semplicità nell’apertura. Infine, i parametri che caratterizzano la configurazione finale sono stati selezionati tramite un algoritmo di ottimizzazione genetica, scelto in quanto consente di testare diverse combinazioni e determinare la più adatta alle esigenze di progettazione, quali le prestazioni della vela per il rientro in atmosfera e la fattibilità di fabbricazione.