Deployment of a CubeSat radiative surface through an autonomus torsional SMA actuator

Originally designed as an educational tool to familiarize students with satellite engineering, CubeSats have established in recent years as a viable alternative to traditional space systems. The crucial challenge CubeSat development involves implementing a highly efficient thermal control system, which should also be as self-sufficient as possible from the onboard power systems, which already have constrained power output due to limited available volume. The remarkable forces generated by shape memory alloy actuators over a wide range of temperatures make them suitable for replacing conventional approaches used in actuation system development, leading to a decreased complexity and enhanced reliability. This study aims to provide a proof of concept concerning the integration of an "S"-shaped SMA tube into the thermal circuit of a 12U CubeSat. The torsion-based actuator utilizes the heat from the circulating fluid accumulated inside the satellite to enable the deployment of a radiator panel through the manifestation of the shape memory effect in the material, facilitating heat dissipation via radiation. The work begins with the design and implementation of thermal treatments on unprocessed tubes, in order to impart the desired shape and characteristic temperatures to the material. Following this, a prototype of the apparatus is developed, comprising a fixed structure adhering to the dimensions of a 12U CubeSat and a movable frame representing the panel to be deployed. The two structures are connected through a hinge mechanism that houses the SMA actuator, which is integrated into a fluid loop circuit mounted within the two frames. By appropriately heating the fluid, and thus simulating the internal heat generation inside the satellite, the crystallographic transition in the material induces a 90° relative rotation of the panel with respect to the rest of the system, ensuring the deployment of the element to the operational configuration.

Originariamente ideati come strumento didattico per introdurre gli studenti al campo della progettazione satellitare, i CubeSat si sono affermati negli ultimi anni come un'alternativa efficace ai tradizionali sistemi spaziali. La sfida cruciale nello sviluppo di un CubeSat riguarda l'adozione di un sistema di controllo termico altamente efficiente, che al contempo sia il più indipendente possibile dai sistemi di alimentazione a bordo, i quali presentano limitazioni nella potenza erogabile a causa del ridotto volume disponibile. Le notevoli forze generate dagli attuatori in lega a memoria di forma su un vasto intervallo di temperature li rendono adatti a sostituire i metodi convenzionali impiegati per lo sviluppo di sistemi di attuazione, portando a una riduzione della complessità e a un aumento dell'affidabilità. Il presente studio mira a fornire un proof of concept riguardo l'integrazione di un tubo in lega a memoria di forma con configurazione a "S" all'interno di un circuito termico di un CubeSat 12U. L'attuatore, operante in torsione, utilizza il calore del liquido circolante, accumulato all'interno del satellite, per assicurare il dispiegamento di un pannello radiatore attraverso la manifestazione dello shape memory effect nel materiale, consentendo la dissipazione del calore tramite irraggiamento. L'attività inizia con la progettazione e l'implementazione di trattamenti termici su tubi vergini, al fine di conferire al materiale la forma e le temperature caratteristiche desiderate. In seguito, viene sviluppato un prototipo dell'apparato, composto da una struttura fissa, conforme alle dimensioni di un CubeSat 12U, e da un telaio mobile, rappresentativo del pannello da dispiegare. Le due strutture sono collegate tramite un meccanismo di cerniera che ospita l'attuatore SMA, il quale è integrato in un circuito a fluido in loop montato all'interno dei due telai. Riscaldando il fluido in modo appropriato, e simulando quindi la generazione di calore interna al satellite, la transizione cristallografica nel materiale provoca una rotazione relativa di 90° del pannello rispetto al resto del sistema, garantendo il dispiegamento dell'elemento fino alla configurazione operativa.