Engineering a tilting mechanism for a nanolander on small bodies

The exploration of asteroids and small planetary moons features significant engineering challenges due to their weak gravity and the unpredictability of surface properties. This thesis aims to study and develop a tilting mechanism for a nanolander designed to operate in such extreme environments. The primary objective is to demonstrate that, after landing, the lander can autonomously reorient itself, placing itself in the optimal conditions to carry out the mission’s planned operations. To address this challenge, a structured methodological approach has been adopted. The study begins with an analysis of existing technologies for lander reorientation, identifying the most promising solutions. Subsequently, a reference configuration is defined, whose dynamics are described through an analytical model. This model is then validated using numerical simulations, leveraging Project Chrono and the Discrete Element Method (DEM) to analyze the interaction between the lander and a granular surface similar to regolith. The design choices and the rationale behind the development of a scaled experimental prototype are presented in detail. Simulations highlight the effectiveness of the selected mechanism in ensuring the lander's reorientation under the simulated landing conditions. The experimental results confirm a partial correlation with numerical predictions and provide valuable insights for future testing. Finally, potential improvements and future developments are discussed, with particular attention to the design of a testbed capable of replicating the maneuver under microgravity conditions. This study contributes to advancing autonomous reorientation strategies for planetary landers, enhancing their adaptability and robustness for future exploration missions on small bodies such as asteroids, comets, and planetary moons.

L'esplorazione di asteroidi e piccole lune planetarie rappresenta una sfida ingegneristica di rilievo, dovuta alla loro debole gravità e all’imprevedibilità delle caratteristiche del suolo. Questa tesi si propone di studiare e sviluppare un meccanismo di ribaltamento per un nanolander, concepito per operare in tali ambienti estremi. L'obiettivo principale è dimostrare che, dopo l’atterraggio, il lander sia in grado di riorientarsi autonomamente, ponendosi nelle condizioni ottimali per svolgere le operazioni previste dalla missione. Per affrontare questa problematica, è stato adottato un approccio metodologico strutturato. Lo studio si apre con un'analisi delle tecnologie esistenti per il riorientamento di lander, al fine di individuare le soluzioni più promettenti. Successivamente, viene definita una configurazione di riferimento, la cui dinamica è descritta attraverso un modello analitico. Questo modello è poi validato mediante simulazioni numeriche, sfruttando Project Chrono e il Metodo degli Elementi Discreti (DEM) per analizzare l’interazione tra il lander e una superficie granulare analoga alla regolite. Le scelte progettuali e il razionale alla base della realizzazione di un prototipo sperimentale in scala ridotta vengono illustrate in dettaglio. Le simulazioni evidenziano l’efficacia del meccanismo selezionato nel garantire il riorientamento del lander nelle condizioni di atterraggio simulate. I risultati sperimentali confermano una parziale correlazione con le previsioni numeriche e forniscono indicazioni preziose per le future sperimentazioni. Infine, vengono analizzati possibili miglioramenti e sviluppi futuri, con particolare attenzione alla progettazione di strutture di supporto capaci di replicare la manovra in condizioni di microgravità. Questo studio contribuisce all'avanzamento delle strategie di riorientamento autonomo per lander planetari, migliorandone l’adattabilità e la robustezza per missioni di esplorazione su corpi minori come asteroidi, comete e lune planetarie.