The inflatable boom is a fundamental structural part of inflatable space structures such as in antenna, sunshield, and solar sail applications. After the appropriate deployment, this structural part maintains the expected configuration of the whole system, supporting external loads and affecting the efficiency of the membrane surface. However, the membrane structures can be easily distorted and even collapsed by wrinkling which can be generated by many different reasons such as material deterioration, thermal effect, and vibration.
In this study, the behavior of inflatable boom structure is investigated numerically and experimentally. To achieve a better performance, the methodology to control the wrinkling growth and deformed configuration of the inflatable boom structure with shape memory alloy (SMA) wire actuator is developed. For understanding the nonlinear behaviors of an inflatable boom due to wrinkling, the structure is modeled using ABAQUS finite element program with wrinkling algorithm. The numerical algorithm of wrinkling is developed based on the Miller-Hedgepeth membrane model. The experimental model of inflatable booms is made of Kapton film. To characterize the nonlinear behaviors of inflatable booms, the bending tests for various internal pressures are performed by experimentally and numerically. To delay the growth of wrinkling which rapidly deteriorates the structural performance of inflatable boom, SMA wire actuator is applied. SMA wires are attached on the surface of inflatable boom and generate recovery force to remove wrinkling region and restore the deformation of the boom.
팽창형 붐 구조물은 안테나, … 등 다양한 우주 구조물에 사용되는 핵심 구조요소이다. 붐 구조물은 전개된 후 원하는 형상을 유지하게 해줄 뿐만 아니라 외부 하중을 지지하고 멤브레인 표면의 정밀도에 직접적인 영향을 준다. 그러나 막 재료로 이루어졌다는 특성상 재료의 품질저하, 열적 영향, 진동 등으로 발생하는 주름 현상에 의해서 쉽게 뒤틀리거나 붕괴되게 된다.
본 연구에서는 팽창형 붐 구조의 거동을 정확하게 예측하는 해석 모델을 수립하고 실험으로 그 정확도를 검증하였다. 붐 구조의 성능을 향상시키기 위하여, 형상기억합금 와이어를 사용하여 주름 전개 및 형상 변화를 컨트롤 하는 방법을 개발하였다. 주름 현상에 의한 붐 구조의 비선형 거동을 구현하기 위하여 상용 유한요소 해석 프로그램인 아바쿠스에 링클링 알고리즘을 개발하여 적용하였다. 링클링 알고리즘은 Miller-Hedgepeth 멤브레인 모델을 바탕으로 수립되었고, Kapton 필름으로 제작된 실험 모델로 검증하였다. 다양한 내압 조건에서 굽힘 실험이 수행되었으며, 구조적 성능을 급격하게 떨어뜨리는 주름현상을 지연시키기 위하여 형상기억합금 와이어가 적용되었다. 형상기억합금 와이어는 붐에 부착되어 형상 복원에 필요한 힘을 제공하고, 이로 인해 형상 복원 및 주름 발생 영역의 감소가 이루어졌다.
