Optimierung der Traktion eines planetaren Rovers mit der Diskreten Elemente Methode

Abstract

Im Zuge der fortschreitenden Exploration unseres Sonnensystems plant die japanische Raumfahrtagentur JAXA eine Mission zur Erforschung der Marsmonde Phobos und Deimos. Im Rahmen dieser für 2024 geplanten Sample Return Mission wird ein radgetriebener Rover zur Erkundung der Landestelle der Muttersonde auf Phobos eingesetzt. Dieser Rover wird gemeinschaftlich vom deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. und der französischen Raumfahrtagentur CNES entwickelt. Zu den größten Herausforderungen, denen sich der Rover auf Phobos stellen muss, zählt die unbekannte Regolith Oberfläche auf dem Marstrabanten. Die Erfahrungen der Mars Exploration Rover Missionen der NASA haben gezeigt, dass ein Festfahren oder Steckenbleiben eines Rovers in losem Sand das Ende einer Explorationsmission bedeuten kann. Ziel dieser Arbeit ist deshalb die Optimierung der Radgeometrie des Rovers, um den Erfolg der Martian Moons eXploration Mission sicherzustellen. Eine experimentelle Evaluierung verschiedener Raddesigns ist aufgrund der geringen Schwerkraft auf Phobos nicht möglich. Zur Untersuchung der Interaktion zwischen Roverrad und Phobos Regolith wird deshalb die Diskrete Elemente Methode eingesetzt. Das deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt verfügt mit partsival über eine geeignete Simulationssoftware für derartige Untersuchungen. Die Optimierung der Radgeometrie wird im Rahmen einer Parametervariation als One Factor at a Time Optimierung durchgeführt. Neben der Optimierung der Radgeometrie werden im Rahmen dieser Thesis auch die bekannten Oberflächeneigenschaften des Marstrabanten und die numerischen und physikalischen Grundlagen der Diskreten Elemente Methode diskutiert. Insbesondere die numerische Stabilität und die Streuung von Simulationsergebnissen stellt bei Simulation einer mikrogravitativen Umgebung eine besondere Herausforderung dar. Primäres Ergebnis dieser Arbeit ist eine Radgeometrie, die speziell für den Einsatz auf Phobos optimiert ist und die Mobilität des Rovers sicherstellen soll. Konkret kann der Schlupf des Rades durch Geometrieoptimierung um durchschnittlich über 50 % und die Einsinkung um durchschnittlich knapp 3 % im Vergleich zum nicht optimierten Rad verbessert werden. Bisher wurden noch nie radgetriebene Rover in ähnlich niedriger Gravitation eingesetzt. Bei dieser Arbeit handelt es sich also um den ersten wissenschaftlichen Beitrag auf diesem Gebiet. Folglich wird durch diese Arbeit auch der Stand der Forschung im Bereich der radgetriebenen Lokomotion unter Mikrogravitation erweitert.