Scientific use of drilling system for future planetary missions

Nowadays, all the drilling operations performed in space missions are aimed at detecting the chemical composition of soil, through a process of pulverization. The aim of this thesis work is to make a step forward, by characterizing also the mechanical properties of the examined soil samples. This is achieved during the drilling phase through direct measurements of axial forces and momentum by means of sensors integrated in the drill itself. The assumed drill model is the Rosetta drill SD2, copy of which is located in the laboratory of Politecnico of Milan. This process is studied both through simulations and through real tests. The simulations are developed with Python-YADE software and they aim to optimize the mechanical properties of the DEM simulated material and then to reproduce the drilling test, with objective of finding the working space of the drill of the considered material. The real tests are aim at characterizing the considered materials and then they apply the obtained values to improve the results from pervious studies. At the end the results from the simulations and those from real tests are compared.

Al giorno d'oggi, tutte le operazioni di trapanamento eseguite nelle missioni spaziali sono mirate a rilevare la composizione chimica del suolo, attraverso un processo di polverizzazione. Lo scopo di questo lavoro di tesi è fare un passo avanti, caratterizzando anche le proprietà meccaniche dei campioni di suolo esaminati. Questo è ottenuto durante la fase di trapanamento tramite misure dirette del momento e delle forze assiali mediante sensori integrati nel trapano stesso. Il modello di trapano considerato è l'SD2 della missione Rosetta, la cui copia è conservata nei laboratori del Politecnico di Milano. Questo processo è studiato sia attraverso simulazioni, sia attraverso test reali. Le simulazioni sono sviluppate con i software Python-YADE e il loro scopo è ottimizzare le caratteristiche meccaniche del materiale simulato in DEM e successivamente di riprodurre i test di trapanamento, con l'obiettivo di trovare la zona lavorativa del trapano per il materiale selezionato. I test reali hanno lo scopo di caratterizzare i materiali considerati e poi applicare i valori trovati per migliorare i risultati degli studi precedenti. Infine i risultati delle simulazioni e quelli dei test reali sono messi a confronto.