System engineering in the LUNA analog facility framework

The present thesis focuses on the systems engineering and verification activities applied to the LUNA analog facility, a lunar simulation environment developed by the ESA and DLR with the inclusion of many technologies for future lunar exploration. In this framework, the primary goal of this research is the design and development of a prototype of a lunar rover optimized for regolith excavation and sorting tasks, conceived to be crucial for supporting long-term missions on the Moon, such as in-situ resource utilization and habitat construction. The core of the research activity is focused on two main aspects: implementation of a verification framework suitable for the operational demands during the mission at the LUNA facility and to conduct an iterative design and testing of the excavation and sorting mechanisms of a rover. For the regolith processing system, in order to manage with the small and evolving team, it was decided to adopt a Model-Based Systems Engineering (MBSE) approach, to simplify the communication and upgrades. Key findings include the integration of a tailored verification system with JIRA, which streamlined task tracking and increased flexibility to the verification phase. This approach allowed team members to efficiently track, review and update tasks, although further refinement is needed to better align the verification plan with data captured in JIRA, especially as feedback from initial testing is incorporated. The rover’s excavation mechanism met initial requirements, showing strong potential for regolith handling. However, the sorting mechanism needs additional development to ad- dress issues with clogging and abrasion caused by lunar dust, which can affect long-term reliability. The MBSE model proved valuable for coordinating design processes and sub- system integration, although team members need practice to use it effectively.

La presente tesi si concentra sull’ ingegneria dei sistemi e sulle attività di verifica ap- plicate al LUNA analog facility, un ambiente di simulazione lunare sviluppato dall’ESA integrando numerose tecnologie per la futura esplorazione della Luna. In questo contesto, l’obiettivo principale di questa ricerca è la progettazione e lo sviluppo di un prototipo di rover lunare ottimizzato per l’escavazione e selezione della regolite, compiti considerati fondamentali per sostenere missioni di lunga durata sulla Luna, essendo necessari per l’utilizzo di risorse in situ e la costruzione di habitat. L’attività di ricerca si focalizza su due aspetti principali: l’implementazione di un frame- work di verifica adatto alle esigenze operative della missione presso il LUNA facility e la progettazione e il testing iterativi dei meccanismi di escavazione e selezione di un rover. Per gestire il sistema di lavorazione della regolite, è stato deciso di adottare un approccio di Ingegneria dei Sistemi Basato su Modello (MBSE). Tra i principali risultati ottenuti, l’integrazione di un sistema di verifica su misura con JIRA ha semplificato il tracciamento delle attività e aumentato la flessibilità nella fase di verifica. Questo approccio ha permesso ai membri del team di monitorare, rivedere e aggiornare i compiti in modo efficiente. Risultano comunque necessarie ulteriori ottimiz- zazioni per allineare meglio il piano di verifica ai dati registrati in JIRA, in particolare durante l’integrazione del feedback dai test iniziali. Il meccanismo di escavazione del rover ha soddisfatto i requisiti iniziali, dimostrando un forte potenziale per la gestione della regolite. Tuttavia, il meccanismo di selezione richiede ulteriori sviluppi per risolvere problemi di ostruzione e abrasione causati dalla polvere lunare, che possono compromettere l’affidabilità a lungo termine. Il modello MBSE si è rivelato utile per coordinare i processi di progettazione e l’integrazione dei sottosistemi, anche se i membri del team hanno bisogno di pratica per utilizzarlo efficacemente.