Landing on regolith in low gravity: modelling low gravity impacts for the TASTE mission on Deimos

This work exploits a Discrete Element Method (DEM) approach to perform numerical simulations of low-velocity impacts on a regolith-covered surface in a low-gravity environment. As a case study, the TASTE mission landing is taken into account. Currently under development at Phase A, TASTE aims at exploring the smallest martian moon, Deimos. Given the criticality of the landing and due to the uncertainties related to the regolith properties of the martian moon, a campaign of numerical simulations is performed to model and test different impacting conditions and regolith properties. The velocity magnitude, impact direction and attitude are varied each time. A comprehensive database is generated in order to support the landing operations design of the mission. The chosen methodology for this study is a Soft-Sphere Discrete Element Method application on Project Chrono. The SSDEM is the most accurate approach available in literature, able to solve the granular dynamics for each particle, under the influence of contact, cohesion and friction forces. The bouncing and following touchdowns are also analysed through an analytical model which makes use of a lookup table, based off the aforementioned database. The outputs of interest are the contact force experienced by the lander structure, the spacecraft position and velocity after the impacts, as well as the coefficient of restitution and the bouncing trajectory on Deimos. All these variables can be leveraged, in future design phases, to assess the safety of the landing phase, statistically evaluating the chance of failure due to lander deformation, payload damaging or due to a too energetic first bounce.

Questo lavoro presenta un approccio Discrete Element Method (DEM) per simulazioni numeriche di impatti a bassa velocità su superficie ricoperta di regolite, a bassa gravità. La missione TASTE è presa in esame. Tutt'ora in sviluppo in fase A, la missione TASTE punta all'esplorazione di Deimos, la più piccola luna di Marte. Data la criticità del landing dovuta all'incertezza relativa alle proprietà della regolite della suddetta luna, una serie di simulazioni numeriche è condotta per modellare e testare in maniera accurata diverse condizioni di impatto. Ogni simulazione presenta una diversa velocità di impatto, una diversa direzione e una differente attitude del satellite all'impatto. Un database esaustivo è quindi prodotto, per essere utile al design delle operazioni di landing. La metodologia utilizzata è un'applicazione della Soft-Sphere Discrete Element Method in Project Chrono. SSDEM è l'approccio più accurato disponibile in letteratura, in grado di risolvere la dinamica per ogni singola particella del materiale granulare, sotto l'effetto dei contatti, della forza di coesione e delle forze di attrito. I rimbalzi e i successivi impatti sono inoltre analizzati attraverso un modello analitico che sfrutta una lookup table, basata sul database sopracitato. Le variabili di interesse sono la forza di contatto che agisce sul lander, la posizione e la velocità del satellite dopo l'impatto, il coefficiente di restituzione e la traiettoria di rimbalzo su Deimos. Tutte queste variabili possono essere utilizzate, in fasi future di design, per determinare la sicurezza della fase di landing, valutando statisticamente la possibilità di fallimento dovuto a deformazione del modulo, danni alla strumentazione o un primo rimbalzo troppo energetico.