Analysis and optimization of origami inspired deployable space structures

Abstract

[ES] A medida que la industria espacial aumenta, existe una creciente demanda de grandes estructuras espaciales presurizadas como pueden ser hábitats o tanques de combustible. Hoy en día, los vehículos lanzadores ofrecen un volumen y unas restricciones bastante limitadas para la carga de pago. Por ello, el uso de estructuras flexibles o desplegables resulta una solución factible a esta problemática. Entre ellas, las estructuras inspiradas en origami surgen proporcionando una solución de compromiso: requieren una configuración que sea lo suficientemente flexible y rígida para ser almacenado y soportar las cargas estructurales durante el lanzamiento, a pesar de presentar un alto ratio de empaquetamiento.

Las estructuras basadas en origami ofrecen grandes ventajas como: un alto ratio de volumen de pliegue y despliegue o la habilidad para mantener sus propiedades estructurales tras desplegarlo reiteradas veces. Este trabajo busca el diseño y optimización de un demostrador desplegable para una misión de un Cubesat de 12U. Por ello, este diseño requiere un estudio paramétrico con el fin de obtener una estructura que muestre el mejor comportamiento bajo los requisitos establecidos.

Entre los posibles patrones de Origami, basándose en la bibliografía, se ha seleccionado el Kresling dado que permite la construcción de una estructura cilíndrica a modo de demostrador. Se ha implementado un uso novedoso de materiales con una configuración dual de manera que, se obtiene un patrón más flexible sin ser necesario el uso de bisagras o elementos similares. La elaboración del estudio se ha realizado mediante el solver de elementos finitos Abaqus, comandado externamente mediante código elaborado en Python. Finalmente, tras obtener las configuraciones factibles y deseadas, se ha aplicado un método de optimización con el fin de generar la mejor solución al problema propuesto.

El demostrador de origami bajo estudio servirá como una prueba de concepto en órbita de la viabilidad de la tecnología desplegable de una manera económica. Comprobando, a su vez, el uso innovador de materiales y su configuración final ofreciendo un nuevo camino a seguir en la fabricación de estructuras espaciales más grandes de las que a día de hoy son posibles.

[EN] As the space industry is growing, there is an increasing demand for pressurized, large structures in space, such as habitats or fuel deposits. This demand faces a non-negligible challenge: the limited payload volume of launch vehicles, with a highly constrained shape. Therefore new engineering solutions are on need, being the most promising the bendable/deployable ones. And among them, Origami inspired, deployable structures arise providing a solution of compromise: while they present high packaging ratios (i.e., foldability) they require for a material and structural configuration flexible enough to be stowed during launch but stiff enough to withstand structural loads.

Origami-inspired structures offer advantages as a high deployed-to-stowed volume ratio or the ability to retain its structural properties after repeated deployment. This work aims to design and optimize an origami inspired deployable structure that will be used as a technology demostrator of fitting into a 12U CubeSat. Consequently, a parametric study of the possible configurations will be performed in order to derive the one that shows the best static and dynamic behaviour under the requirements of such a mission.

Among the many Origami patterns, based on previous work available on the literature, the chosen one has been the Kresling ori, building a cylindrical shape for the final technological demostrator. A novel use of materials is proposed combining two different kinds of printable materials, obtaining a more flexible pattern without requiring mechanical hinges or similar. The whole study, involving deployment and un-deployment behaviour has been studied under Python scripting and Abaqus FEM solver. Finally, once all the feasible and desired configurations are computed an optimization process is applied in order to obtain the most suitable under pre-defined requirements.

The origami demonstrator under study will serve as an economical in-orbit proof-of-concept for a viable deployment technology. While testing an innovative use of materials and configuration, offering a new way for much larger structures in space than the currently possible.