Experimental investigation of anchoring performance on asteroid analog materials

SSSB present extremely challenging surface conditions for landing and anchoring due to their low gravity, high porosity, and heterogeneous mechanical properties. This thesis investigates the feasibility and performance of the USDC as an anchoring system for future exploration missions. After a survey of existing anchoring technologies and a trade-off analysis based on the Analytic Hierarchy Process, the USDC is selected as the most versatile solution. The limitations of the currently available prototype are assessed, and a dedicated experimental campaign is carried out using representative asteroid analogue materials such as volcanic regolith, gypsum, and lava stone, to evaluate the ultimate uplift capacity as a function of penetration depth and anchoring angle. The results show that the anchoring rod can achieve uplift forces ranging from tens to several hundreds of newtons, with a strong dependence on material properties. A theoretical analytical model is also presented and compared with the experiments. The study demonstrates the potential of the USDC-based anchoring concept and outlines the design improvements, material characterization, and numerical modelling efforts needed to advance its readiness for small-body exploration.

I corpi celesti di piccole dimensioni presentano condizioni di superficie particolarmente difficili per le operazioni di atterraggio e ancoraggio, a causa della bassa gravità, dell'elevata porosità e delle proprietà meccaniche eterogenee. Questa tesi investiga la fattibilità e le prestazioni dell'USDC come sistema di ancoraggio per future missioni di esplorazione. Dopo una revisione delle tecnologie di ancoraggio esistenti, un'analisi comparativa basata sull'Analytical Hierarchy Process, il Percussore Ultrasonico viene selezionato come la soluzione più versatile. Secondariamente, vengono valutati i limiti del prototipo disponibile e viene condotta una campagna sperimentale dedicata utilizzando materiali rappresentativi analoghi agli asteroidi, come regolite vulcanica, gesso e pietra lavica, per valutare la capacità limite di ancoraggio in funzione della profondità di penetrazione e dell'angolo di ancoraggio. I risultati mostrano che la punta del percussore può generare forze di ancoraggio che vanno da decine a diverse centinaia di newton, con una forte dipendenza dalle proprietà del materiale. Viene inoltre presentato un modello analitico teorico e confrontato con i risultati sperimentali. Lo studio dimostra il potenziale del concetto di ancoraggio basato sul percussore ultrasonico e delinea i miglioramenti progettuali, la caratterizzazione dei materiali e gli sforzi di modellazione numerica necessari per migliorarne la progettazione per l'esplorazione di corpi celesti di piccole dimensioni.