A novel optimization driven preliminary design methodology for the landing legs of a lunar lander

This thesis presents an optimization-driven approach for the preliminary design of lunar lander legs, aiming to develop a structurally efficient leg assembly with kinematics capable of effective damping for stable landings in off-nominal conditions. The research addresses the challenges associated with the structural optimization of the leg assembly by proposing a novel design process that integrates Layout Optimization (LO) with Multibody Dynamics (MBD) landing simulations. The design process involves an optimization loop to iteratively generate an optimal leg assembly layout using LO, based on updated impact loads obtained from a MBD landing simulation. The loop is run until convergence is achieved between the force used to generate the LO and the landing impact force for that layout from the MBD simulation. To implement this design process, a lander model was defined using literature based parameters along with expected off-nominal approach conditions of the lander during landing and a material selection was done by filtering space-qualified materials based on the landing loads and the lunar environment. LO and MBD landing simulation setups were developed, to run the optimization loop, with a convergence value corresponding to the 1% of the nominal impact force. It was found that the loop converged in 3 iterations, providing an optimal leg assembly layout for the given lander definition and approach conditions. To assess the kinematics of the optimal leg assembly and analyze the effect of the damping parameters on stability and impact forces, a full factorial Design of Experiments (DoE) was conducted. Four parameters were selected for the analysis, and corresponding Multibody Dynamics (MBD) simulation runs were performed to collect response data. The DoE results revealed a significant influence of two main factors on the system’s response, providing a clear direction for further optimization. These findings demonstrate that the proposed design methodology successfully generates structurally optimal leg assemblies with kinematics that enable effective damping and ensure landing stability.

La presente tesi presenta un approccio innovativo per la progettazione preliminare e ottimizzazione del sistema di appoggio di un lander lunare, con l’obiettivo di sviluppare una soluzione strutturalmente efficiente, dotata di una cinematica in grado di smorzare efficacemente l’urto durante l'atterraggio, assicurando così stabilità anche in scenari non nominali. Il lavoro affronta le principali sfide legate all’ottimizzazione strutturale del complesso piede–lander, proponendo un processo progettuale integrato che coniuga l’Ottimizzazione del Layout (Layout Optimization, LO) con simulazioni dinamiche multibody (Multibody Dynamics, MBD) dell’atterraggio. Il procedimento prevede un ciclo iterativo di ottimizzazione nel quale il layout ottimale del sistema di appoggio viene generato mediante LO, sulla base dei carichi d’impatto aggiornati ottenuti tramite simulazioni MBD. Tale ciclo è ripetuto fino al raggiungimento della convergenza, definita come il punto in cui la forza utilizzata per generare il layout e quella risultante dalla simulazione MBD risultano coincidenti entro una soglia prefissata. Ai fini dell’implementazione, è stato definito un modello parametrico di lander, costruito a partire da dati reperiti in letteratura, tenendo conto delle condizioni di avvicinamento non nominali previste in fase di discesa. È stata inoltre effettuata una selezione dei materiali, limitata a quelli qualificati per l’utilizzo in ambiente spaziale, sulla base dei carichi stimati e delle condizioni dell'ambiente lunare. Gli ambienti di simulazione LO e MBD sono stati sviluppati per eseguire il ciclo di ottimizzazione, fissando una soglia di convergenza pari a all 1\% della forza nominale prevista nell'impatto. La procedura ha è arrivata a convergenza in tre iterazioni, restituendo un layout ottimale per la configurazione e le condizioni considerate. Per analizzare la cinematica del layout ottimizzato e valutare l’influenza dei parametri di smorzamento sulla stabilità del sistema e sui carichi d’impatto, è stato condotto un esperimento progettuale (Design of Experiments, DoE) di tipo fattoriale completo. Sono stati selezionati quattro parametri, e per ciascuna combinazione sono state eseguite simulazioni MBD finalizzate alla raccolta dei dati di risposta. I risultati del DoE hanno evidenziato l’influenza significativa di due fattori principali, fornendo indicazioni chiare per successive ottimizzazioni. Tali risultati dimostrano l’efficacia della metodologia proposta nel generare sistemi di appoggio strutturalmente ottimizzati, dotati di una cinematica capace di garantire elevati livelli di smorzamento e stabilità durante le fasi di atterraggio.