Many of the subsystems equipping space vehicles are made up of structures requiring large dimensions to provide performance compatible with the mission requirements. A typical example is the drag sail, a membrane structure capable of reentry vehicles into the atmosphere at the end of their operational lifetime and responding to the growing interest in orbital space debris mitigation. The surface of the sail necessary to complete the de-orbiting within the times dictated by the new international regulations must be huge, therefore the design of an appropriate deployment system is of great interest. Among the various strategies proposed, those that guarantee the sail's autonomous deployment from the packed to the operational configuration stand out. Smart materials such as shape memory alloys can deform when heated above the phase transformation temperature. Therefore, the possibility of meeting the requirement of self-deployment by inserting Nitinol wires along the folds of the origami cells is investigated. Preliminary mission analysis is initially conducted to determine the sail size needed to de-orbit the satellite from LEO orbits: the two-body problem orbital model is implemented in MATLAB for this purpose and then validated using the Ansys STK Premium Space software. This step is followed by the thermal analysis of the system to verify the operating temperatures of the sail during the mission and the analytical modeling of the constitutive law of shape memory alloy. The sail is finally modeled in MATLAB as a multi-body system, and the deployment dynamics are analyzed by co-simulation between ADAMS and Simulink software. The results show that the shape memory alloys can exert sufficient force to bring the sail from the stowed to the operational configuration. Potential future applications are not only limited to the one-way deployment of structures of this type but also to control the shape morphing of the structure according to operational needs.

Molti dei sottosistemi che equipaggiano i veicoli spaziali si compongono di strutture che richiedono grandi dimensioni per poter fornire prestazioni compatibili con i requisiti della missione. Un tipico esempio sono le drag sails, strutture a membrana in grado di far rientrare i veicoli in atmosfera al termine del loro ciclo di vita operativo e che rispondono quindi al crescente interesse verso la problematica relativa all'accumulo dei detriti spaziali in orbita. La superficie della vela necessaria a completare il de-orbiting entro i tempi dettati dalle nuove regolamentazioni internazionali dev'essere molto estesa, perciò la progettazione di un opportuno sistema di dispiegamento è di grande interesse. Tra le varie strategie proposte, spiccano quelle che garantiscono lo sviluppo autonomo della vela dalla posizione impaccata a quella operativa. Materiali intelligenti come le leghe a memoria di forma sono in grado di deformarsi se riscaldate al di sopra della temperatura di trasformazione di fase, perciò viene indagata la possibilità di soddisfare il requisito di dispiegamento autonomo attraverso l'inserimento di fili di Nitinol tra le pieghe dell'origami. Un'analisi preliminare della missione è inizialmente condotta per determinare le dimensioni della vela necessarie a far de-orbitare il satellite da orbite LEO. Per fare ciò, viene implementato in MATLAB il modello orbitale two-body problem che è poi validato per mezzo del software STK Premium Space di Ansys. Seguono l'analisi termica del sistema per verificare le temperature operative della vela durante la missione e la modellazione analitica della legge costitutiva delle leghe a memoria di forma. La vela è stata infine modellata su MATLAB come sistema multi-corpo e la dinamica del dispiegamento viene analizzata per mezzo della co-simulazione tra i software ADAMS e Simulink. I risultati mostrano come le leghe a memoria di forma siano in grado di esercitare sufficiente forza da portare la vela dalla configurazione stivata a quella operativa. Potenziali applicazioni future non si limitano soltanto al dispiegamento a una via di strutture di questo tipo, ma anche al controllo della modifica della forma della struttura in base alle necessità operative.

De-orbiting mission from LEO: design of a passive deployment system for an origami drag sail

SIRONI, TOMMASO
2021/2022

Abstract

Many of the subsystems equipping space vehicles are made up of structures requiring large dimensions to provide performance compatible with the mission requirements. A typical example is the drag sail, a membrane structure capable of reentry vehicles into the atmosphere at the end of their operational lifetime and responding to the growing interest in orbital space debris mitigation. The surface of the sail necessary to complete the de-orbiting within the times dictated by the new international regulations must be huge, therefore the design of an appropriate deployment system is of great interest. Among the various strategies proposed, those that guarantee the sail's autonomous deployment from the packed to the operational configuration stand out. Smart materials such as shape memory alloys can deform when heated above the phase transformation temperature. Therefore, the possibility of meeting the requirement of self-deployment by inserting Nitinol wires along the folds of the origami cells is investigated. Preliminary mission analysis is initially conducted to determine the sail size needed to de-orbit the satellite from LEO orbits: the two-body problem orbital model is implemented in MATLAB for this purpose and then validated using the Ansys STK Premium Space software. This step is followed by the thermal analysis of the system to verify the operating temperatures of the sail during the mission and the analytical modeling of the constitutive law of shape memory alloy. The sail is finally modeled in MATLAB as a multi-body system, and the deployment dynamics are analyzed by co-simulation between ADAMS and Simulink software. The results show that the shape memory alloys can exert sufficient force to bring the sail from the stowed to the operational configuration. Potential future applications are not only limited to the one-way deployment of structures of this type but also to control the shape morphing of the structure according to operational needs.
PERNIGONI, LAURA
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
4-mag-2023
2021/2022
Molti dei sottosistemi che equipaggiano i veicoli spaziali si compongono di strutture che richiedono grandi dimensioni per poter fornire prestazioni compatibili con i requisiti della missione. Un tipico esempio sono le drag sails, strutture a membrana in grado di far rientrare i veicoli in atmosfera al termine del loro ciclo di vita operativo e che rispondono quindi al crescente interesse verso la problematica relativa all'accumulo dei detriti spaziali in orbita. La superficie della vela necessaria a completare il de-orbiting entro i tempi dettati dalle nuove regolamentazioni internazionali dev'essere molto estesa, perciò la progettazione di un opportuno sistema di dispiegamento è di grande interesse. Tra le varie strategie proposte, spiccano quelle che garantiscono lo sviluppo autonomo della vela dalla posizione impaccata a quella operativa. Materiali intelligenti come le leghe a memoria di forma sono in grado di deformarsi se riscaldate al di sopra della temperatura di trasformazione di fase, perciò viene indagata la possibilità di soddisfare il requisito di dispiegamento autonomo attraverso l'inserimento di fili di Nitinol tra le pieghe dell'origami. Un'analisi preliminare della missione è inizialmente condotta per determinare le dimensioni della vela necessarie a far de-orbitare il satellite da orbite LEO. Per fare ciò, viene implementato in MATLAB il modello orbitale two-body problem che è poi validato per mezzo del software STK Premium Space di Ansys. Seguono l'analisi termica del sistema per verificare le temperature operative della vela durante la missione e la modellazione analitica della legge costitutiva delle leghe a memoria di forma. La vela è stata infine modellata su MATLAB come sistema multi-corpo e la dinamica del dispiegamento viene analizzata per mezzo della co-simulazione tra i software ADAMS e Simulink. I risultati mostrano come le leghe a memoria di forma siano in grado di esercitare sufficiente forza da portare la vela dalla configurazione stivata a quella operativa. Potenziali applicazioni future non si limitano soltanto al dispiegamento a una via di strutture di questo tipo, ma anche al controllo della modifica della forma della struttura in base alle necessità operative.
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/202920