Returning to the moon : design of a sub-scaled docking mechanism for uncrewed spaceflight

Commercial activity in space is rapidly expanding. With focus shifting towards returning to the Moon, there is renewed interest in sending payload to the lunar surface. For such missions, it will become necessary to explore methods for assembling and servicing satellites and payloads in Low Earth Orbit (LEO) and beyond. This thesis will explore potential methods for docking two payload-items in space and develop an early-stage design for one such mechanism. This sub-scaled connector has the potential to be used to autonomously assemble payloads in Low Earth or Low Lunar orbit, before transferring payload to the Moon’s surface. Following the Double Diamond (DD) method, a literature review was conducted on In Orbit Servicing, Assembly, and Manufacturing (ISAM) to identify any current gaps in knowledge. This was followed by the investigation of three case studies: train couplers, shipping containers, and the docking standard utilized by the International Space Station (ISS), to gain a broader depth of knowledge into existing coupling mechanisms. Building upon the gathered research, initial concepts were generated and iterated upon to arrive upon the final docking mechanism design. Through the iterative design process, it was observed that a two-tier mechanism was necessary, featuring both shape matching and mechanical latching components to achieve successful autonomous docking. Based on the literature and the iteration process, it was concluded that a two-tier mechanism was worth further exploration to expand upon and develop a standardized docking mechanism for future space payload transfer.

L'attività commerciale nello spazio è in rapida espansione. Con l'attenzione che si sta spostando verso il ritorno sulla Luna, c'è un rinnovato interesse per l'invio di carichi utili sulla superficie lunare. Per tali missioni, sarà necessario esplorare metodi per l'assemblaggio e la manutenzione di satelliti e carichi utili nell'orbita terrestre bassa (LEO) e oltre. Questa tesi esplorerà i potenziali metodi per l'attracco di due carichi utili nello spazio e svilupperà una progettazione preliminare per uno di questi meccanismi. Questo connettore in scala ridotta ha il potenziale per essere utilizzato per assemblare autonomamente carichi utili nell'orbita terrestre bassa o nell'orbita lunare bassa, prima di trasferire il carico utile sulla superficie lunare. Seguendo il metodo Double Diamond (DD), è stata condotta una revisione della letteratura sull'In Orbit Servicing, Assembly, and Manufacturing (ISAM) per identificare eventuali lacune attuali nelle conoscenze. A ciò ha fatto seguito lo studio di tre casi: accoppiatori ferroviari, container di spedizione e lo standard di aggancio utilizzato dalla Stazione Spaziale Internazionale (ISS), al fine di acquisire una conoscenza più approfondita dei meccanismi di accoppiamento esistenti. Sulla base delle ricerche raccolte, sono stati generati e iterati i concetti iniziali per arrivare al progetto definitivo del meccanismo di aggancio. Attraverso il processo di progettazione iterativo, è stato osservato che era necessario un meccanismo a due livelli, dotato sia di componenti di adattamento della forma che di componenti di aggancio meccanico per ottenere un aggancio autonomo di successo. Sulla base della letteratura e del processo di iterazione, si è concluso che valeva la pena approfondire ulteriormente il meccanismo a due livelli per ampliare e sviluppare un meccanismo di aggancio standardizzato per il futuro trasferimento di carichi spaziali.