Modeling strategies for origami-based drag sail

Innovative space debris mitigation strategies are required for a sustainable space environ ment to reduce the space debris impact on exploration missions. An effective approach to space debris mitigation in low Earth orbit (LEO) is satellite de-orbiting. Among the various technologies available for de-orbit, one of great interest is the deployment of drag sails. Drag sails are large-area membranes that are able to accelerate the satellite’s reen try, leading to its subsequent disintegration within the Earth’s atmosphere. The design of an appropriate deployment system implies that once the satellite has reached the end of-life phase, the drag sail, stored within the host structure, is then successfully deployed through an actuation system. The folding technique can be optimized by adopting an origami pattern. Applications of origami in space engineering make use of some specific patterns, including Miura-Ori. The crease model of origami-based structure becomes a fundamental aspect in the design of compact and deployable drag sails for controlled de orbiting. ABAQUS® numerical simulations are implemented under different conditions to investigate the structural behavior of a single crease model and unit cell of Miura-Ori. The resulting deformations, stress concentrations, and rotational stiffness distribution along crease configurations allowed progress toward a more realistic model through iter ative trial and error of the simulation process. A significant possibility to accomplish the self-deployment requirement is through the integration of origami-based structures with shape memory alloy (SMA)-based torsional actuators. This specific class of materials can recover a predetermined shape when subjected to a specific external stimulus, such as temperature change. Computational analyses were performed to study the behavior of NiTi wire and its interaction with origami facets and to verify the structural integrity of the overall system. The objective was not to deliver a flight-ready mechanism, but rather to lay the basis for a more accurate future analysis of the entire origami pattern deployment. Potential future developments could be experimental validations and further investigations of out-of-plane behavior under the action of large displacements that would contribute to precisely understanding the behavior of the system.

Per un ambiente spaziale sostenibile sono necessarie strategie innovative di mitigazione dei detriti spaziali per ridurne l’impatto sulle missioni di esplorazione. Un approccio efficace in orbita terrestre bassa è il deorbiting dei satelliti. Tra le varie tecnologie disponibili, di grande interesse sono le drag sails. Esse sono membrane di grande superficie in grado di accelerare il rientro del satellite, portandolo alla disintegrazione nell’atmosfera terrestre. La progettazione di un sistema di dispiegamento appropriato implica che, una volta raggiunta la fase di fine vita, la drag sail, stivata all’interno del satellite, venga dispiegata con successo attraverso un sistema di attuazione. La tecnica di piegatura può essere ottimizzata adottando un modello origami. Le applicazioni degli origami nell’ingegneria spaziale utilizzano modelli specifici, tra cui il Miura-Ori. Il modello di piega della struttura diventa un aspetto fondamentale nella progettazione di drag sail compatte e dispiegabili per il de-orbiting controllato. Attraverso ABAQUS®, sono state implementate diverse simulazioni numeriche per studiare il comportamento strutturale di una singola piega e di una cella unitaria di Miura-Ori. Le deformazioni, le concentrazioni di stress e la distribuzione della rigidità rotazionale lungo le pieghe hanno permesso di ottenere un modello più realistico attraverso prove ed errori iterativi del processo di simulazione. Una possibilità significativa nel realizzare l’auto-dispiegamento è data dall’integrazione di strutture basate su origami con attuatori torsionali basati su leghe a memoria di forma. Questa specifica classe di materiali può recuperare una predeterminata forma quando viene sottoposta a uno specifico stimolo esterno, come una variazione di temperatura. Analisi computazionali hanno permesso di studiare il comportamento di un filo di NiTi e la sua interazione con le sfaccettature dell’origami e verificare l’integrità strutturale dell’intero sistema. L’obiettivo non è quello di fornire un meccanismo finito, ma piuttosto di gettare le basi per un’analisi futura più accurata dell’intero pattern. Potenziali sviluppi futuri potrebbero essere le convalide sperimentali e ulteriori indagini sul comportamento fuori piano sotto l’azione di grandi spostamenti, per comprendere con maggiore precisione il sistema.