Origami engineering : evaluation of patterns for deployable space structures

Most spacecraft require relatively large structures to achieve their mission objectives. Solar arrays to generate power, radiators for heat rejection, solar sails for propulsion and drag sails for deorbit are typical examples. These applications need a large deployed area to maximize performance, but also a small volume while packed to allow a compact storage inside the launcher fairing. Origami folding can be implemented to grant a high packing efficiency, but also to introduce other interesting characteristics like tuning of the structure properties by controlling the degree of deployment. Four fundamental rigid crease patterns, Miura-Ori, Kresling, Yoshimura and Waterbomb, have been selected for a preliminary assessment of their characteristics and potential role in space applications. Expressions that allow to compute deployed area and stored volume of each pattern have been determined, while the force required for deployment has been calculated by exploiting an energy-based analytical model. These results have been successfully implemented to program an optimization application using MATLAB® App Designer, which allows to design an optimal origami structure in terms of packing efficiency and energy required for deployment. Lastly, laboratory activity has been performed to validate the force model and to observe the origami kinematics during unfolding. Several specimens made in Aluminium 8011 alloy and DuPont™ Kapton® have been deployed using a tensile testing machine to measure the required force. Results from tests have shown that the analytical model is able to determine with a sufficient accuracy the force to be provided by the actuation system. However, observed large deviations of regions located on the specimens perimeter have driven to the conclusion that a suitable actuation system needs to impart the deployment action in several points, granting a more uniform unpacking. Potential solutions could see the use of perimeter truss mechanisms or shape memory materials embedded in correspondence of fold lines to achieve a successful origami unfurling.

La maggior parte dei veicoli spaziali necessita di strutture relativamente grandi per portare a termine gli obiettivi della propria missione. Pannelli solari per generare potenza, radiatori per dissipare calore, vele solari per la propulsione e drag sails per il deorbitamento rappresentano tipici esempi. Queste applicazioni richiedono l’uso di una grande superficie per massimizzare le prestazioni, ma anche di un volume ridotto per permettere uno stivaggio compatto all’interno dell’ogiva del lanciatore. La piega origami può conferire un’elevata efficienza di compattamento, ma è in grado anche di introdurre altre caratteristiche interessanti come la messa a punto delle proprietà della struttura attraverso il controllo del grado di dispiegamento. Quattro schemi di piega rigidi, Miura-Ori, Kresling, Yoshimura e Waterbomb, sono stati selezionati per una valutazione preliminare delle caratteristiche e potenziale ruolo nel campo spaziale. Le espressioni relative al calcolo dell’area dispiegata e al volume compattato sono state definite, mentre la forza necessaria per l’apertura è stata determinata attraverso un modello energetico analitico. Questi risultati sono stati implementati con successo per creare un programma di ottimizzazione usando MATLAB® App Designer che consente di progettare una struttura origami ottimale in termini di efficienza di compattamento e energia di dispiegamento. Infine, un’attività sperimentale è stata eseguita per validare il modello della forza e osservare la cinematica degli origami. Diversi provini realizzati in Alluminio 8011 e DuPont™ Kapton® sono stati dispiegati usando una macchina per le prove di trazione. I risultati hanno mostrato che il modello analitico può determinare con sufficiente accuratezza la forza che l’attuatore deve garantire. Tuttavia, importanti deviazioni in corrispondenza del perimetro dei provini hanno portato alla conclusione che un attuatore efficace debba impartire l’azione di dispiegamento in diversi punti, in modo da garantire un’apertura più uniforme. Potenziali soluzioni consistono in meccanismi perimetrali o materiali a memoria di forma inseriti nelle linee di piega per ottenere un dispiegamento efficace.