Facility set-up and testing for lunar landing GNC verification

The autonomy concept represents a key factor for future space explorations. In particular, it plays an important role in missions towards planets and space bodies where spatial and environmental conditions do not allow a direct real time control from ground. The renewed interest in space exploration and the market entry of new international public and private space institutions, encouraged by both scientific and commercial interests, gave the go-ahead to engineering studies aimed to develop systems able to land in complete autonomy on space bodies. This thesis presents the study and planning work aimed to the set-up and testing phases of a facility designed to verify, validate, and test the Autonomous Guidance, Navigation, and Control (AGNC) system developed at Politecnico di Milano. The test bed intends to raise the technology readiness level of the software/hardware architecture. In particular, as a first test campaign, the south pole lunar environment was taken into account for its high scientific interest. Indeed, the presence of carbon and other volatiles in water ice samples into craters permanently shadowed near south pole would be very useful for life support or fuel propellant purposes. As the result of a trade-off process, an in-house indoor architecture was selected. A lunar terrain mock-up was designed and manufactured in order to properly represent the lunar soil, from the physical and optical point of view. The lander dynamics is simulated by means of a 7 degrees of freedom robotic arm already available in the Department of Aerospace Science and Technology premises. A suitable equipment was selected to provide the developed software with the appropriate inputs. Proper illumination and dimming systems are in charge to recreate in laboratory the lunar environmental conditions. The facility set-up is deeply described highlighting design choices that drove the selection of the most suitable solutions. At the end, the test campaign dedicated to the validation of the AGNC system is presented. An outline of the future possible developments and the work to be done conclude the work.

Il concetto di autonomia rappresenta un fattore chiave per le future esplorazioni spaziali. Riveste infatti un ruolo di grande importanza per missioni verso pianeti e corpi celesti dove le condizioni ambientali e spaziali impediscono un controllo diretto da terra. Il rinnovato interesse per l'esplorazione spaziale e l'entrata in gioco di nuove realtà sia pubbliche che private incoraggiate da interessi sia scientifici che commerciali, hanno dato il via a studi volti allo sviluppo di sistemi capaci di atterrare in completa autonomia sui corpi celesti. Questa tesi presenta il lavoro di studio e pianificazione volto all'allestimento e alla fase di testing di un banco prova progettato per verificare, validare e testare il sistema autonomo di guida, controllo e navigazione sviluppato presso il Politecnico di Milano, con lo scopo di incrementarne il livello di maturità tecnologica. Il polo sud lunare è stato scelto come primo ambiente di prova visto il grande interesse scientifico. La presenza di carbonio e di altre sostanze volatili nei campioni di ghiaccio rinvenuti nei crateri perennemente in ombra potrebbero essere di grande utilità per il supporto vitale o per la produzione di carburanti. Si è scelto di procedere alla realizzazione di un banco di prova indoor sviluppato internamente al Politecnico di Milano. E’ stato progettato e realizzato un diorama che rappresenta dal punto di vista fisico e ottico la superficie della Luna. La dinamica del lander è simulata da un braccio robotico già disponibile presso le strutture del Dipartimento di Scienze e Tecnologie Aerospaziali. Inoltre sono stati selezionati i dispositivi responsabili di fornire al software gli input adeguati. E' stato scelto un adeguato sistema di illuminazione e tendaggio per ricreare in laboratorio condizioni compatibili con quelle lunari. L'allestimento del banco prova è descritto nel dettaglio sottolineando le scelte progettuali che hanno guidato la selezione delle soluzioni. In conclusione è presentata la campagna di test dedicata alla validazione del sistema AGNC. Una breve descrizione dei possibili sviluppi futuri e del lavoro necessario per la prosecuzione del progetto conclude la trattazione.