Innovative SMA actuator for space applications: study of torsional antagonistic configuration

The trend in the space sector to increasingly reduce the size and mass of satellites and their subsystems has led to the exploration and adoption of innovative solutions and the use of materials different from those commonly employed in space, including Shape Memory Alloys (SMAs). Considering the ongoing research into new SMA applications in space, this thesis aims at designing a torsional actuator that utilizes antagonism as a rearming method through two SMA tubes. By activating one of the two tubes, this recovers a previously imposed rotation, thereby arming the other tube, to which it is appropriately connected. Antagonism guarantees tubes’ reciprocal rearm, thus multiple actuation: this makes the actuator suitable for actual use in a space application, such as a hinge for a CubeSat panel. The development of the thesis can be divided into four main phases: initial theoretical study on the material's properties followed by the conception of the actuator; experimental torsional characterization, particularly significative given the scarse presence of such studies in existing literature; design and implementation of the experimental setup; test campaign and analysis of the results. In the final experiment, the whole setup has been cooled in the MTS enviromental chamber, and the tubes have been alternatively heated through Joule effect. The cycling has been carried out for a considerable amount of cycles to monitor the trend in the recovered rotation, and to demonstrate the validity of the torsional antagonistic rearm.

La tendenza in ambito spaziale a ridurre in modo sempre più decisivo la dimensione e la massa dei satelliti e dei loro sottosistemi, ha condotto verso la ricerca l’adozione di soluzioni innovative e l’utilizzo di materiali diversi da quelli comunemente utilizzati in ambito spaziale, tra cui le Leghe a Memoria di Forma. Considerando la continua ricerca di nuove applicazioni SMA in ambito spaziale, questa tesi si pone l’obiettivo di ideare un attuatore torsionale che sfrutti l’antagonismo come metodo di riarmo utilizzando due tubi SMA. Attivando uno dei due tubi, questo recupera una rotazione precedentemente imposta, armando di conseguenza l’altro tubo, al quale è appropriatamente connesso. L'antagonismo garantisce il riarmo reciproco dei tubi, consentendo così numerose attuazioni: ciò rende l'attuatore adatto all'uso effettivo in un'applicazione spaziale, come una cerniera per un pannello CubeSat. Lo sviluppo della tesi può essere suddiviso in quattro fasi principali: studio teorico iniziale sulle caratteristiche del materiale seguito dalla concezione dell'idea di attuatore; caratterizzazione sperimentale torsionale, particolarmente significativa data la scarsa presenza di tali studi in letteratura; ideazione e realizzazione del setup sperimentale; test sperimentali e analisi dei risultati. Nell'esperimento finale, l'intero setup è stato raffreddato nella camera ambientale MTS, e i tubi sono stati riscaldati alternativamente mediante effetto Joule. Il ciclaggio è stato eseguito per un considerevole numero di cicli per monitorare la tendenza nella rotazione recuperata e dimostrare la validità del riarmo torsionale antagonista.