Deployment of a Miura-Ori folded drag sail cell through NiTi based actuation system

The number of devices in orbit around the planet has increased rapidly over the last two decades due to the development of new technologies such as satellite constellations. De-orbiting these devices is therefore necessary to prevent them from becoming dangerous space debris. One of the various de-orbiting methods is the use of a drag sail, a device consisting of a large membrane that acts as a parachute and must be compactly stowed during the launch and then deployed at the end of satellite’s operational life. The deployment of the sail is therefore a critical aspect of the success of the de-orbit mission. Autonomous deployment can be achieved through the use of shape memory alloy actuators, a smart material capable of deforming in response to a thermal stimulus, positioned along the surface of the sail. An experimental analysis was therefore carried out to demonstrate the feasibility of such a deployment system. A series of cells, folded using the Miura-Ori origami technique, which make up the sail, were produced in different sizes and configurations: Kapton®, aluminium (Al) and hybrid Al/Kapton®. These samples, embedded with NiTi wires as actuators, were tested in an oven. A series of wire placement strategies along the cell surface has been developed and experimentally validated. Furthermore 8 different actuation patterns were fabricated and tested using a set of infrared lamps as heat source. Finally, an analysis of the deployment kinematics was performed, using both Tracker and MATLAB® software, to quantitatively evaluate the deployment and identify the most efficient actuation patterns. The results showed that it is possible to efficiently deploy the single cell using shape memory alloy wires. Possible future developments include: a) numerical optimization of the actuation patterns; b) the experimental analysis of the deployment obtained using NiTi wires working in torsion rather than bending; c) the development of a sail prototype made up of several interconnected cells.

Il numero di dispositivi in orbita attorno al pianeta ha subito un rapido incremento negli ultimi due decenni a causa dello sviluppo di nuove tecnologie quali le costellazioni di satelliti. Il de-orbiting di tali dispositivi risulta quindi necessario per evitare che diventino pericolosi detriti spaziali. Uno dei vari metodi di de-orbiting consiste nell’utilizzo di una vela di trascinamento, un dispositivo costituito da una grande membrana, che funge da paracadute e deve essere stivata in maniera compatta durante il lancio per poi essere dispiegata alla fine della vita operativa del satellite. Il dispiegamento della vela rappresenta dunque un aspetto cruciale per la riuscita della missione di de-orbiting. Un dispiegamento autonomo può essere ottenuto grazie all’utilizzo di attuatori in lega a memoria di forma, materiale intelligente in grado di deformarsi in risposta ad uno stimolo termico, posizionati lungo la superficie della vela. Un’analisi sperimentale è stata dunque condotta al fine di dimostrare la fattibilità di tale sistema. Una serie di celle, piegate con la tecnica origami Miura-Ori, di cui la vela è costituita, sono state prodotte in diverse dimensioni e configurazioni: Kapton®, alluminio (Al) e ibrido Al/Kapton®. Tali campioni, in cui sono stati inseriti fili di NiTi come attuatori, sono stati poi testati in forno. Una serie di strategie di posizionamento del filo sulla superficie della cella sono state quindi sviluppate e validate sperimentalmente. Inoltre 8 diversi pattern di attuazione sono stati prodotti e testati utilizzando un set di lampade ad infrarossi come fonte di calore. Un’analisi della cinematica del dispiegamento, infine, è stata effettuata utilizzando i software Tracker e MATLAB® al fine di valutare quantitativamente il dispiegamento ed individuare i pattern di attuazione più efficienti. I risultati hanno mostrato che è possibile dispiegare in maniera efficace la singola cella tramite l’utilizzo di fili in lega a memoria di forma. Possibili sviluppi futuri includono: a) un’ottimizzazione numerica dei vari pattern di attuazione; b) l’analisi sperimentale del dispiegamento ottenuto tramite fili di NiTi operanti in torsione, anziché in flessione; c) lo sviluppo di un prototipo di vela costituito da più celle interconnesse.