Development of a new Systematic Foot Design Approach for Extraterrestrial Surface Instruments with Respect to Slippage Resistance

Abstract

Für die bodennahe Untersuchung von Planeten, Monden oder Asteroiden werden unter anderem Instrumente genutzt, die für ihre Untersuchungsmethode direkten Kontakt zur Oberfläche benötigen. diese Art von Instrument sind zum Beispiel Seismometer oder auch Wärmeflusssonden. Üblicherweise befinden sich diese Instrumente an bord von komplexen Landeeinheiten, die auf der Oberfläche des zu untersuchenden Objekts landen. Zur flexibleren Missionsgestaltung werden manche von diesen Instrumenten von der Landeeinheit entkoppelt und auf der Oberfläche positioniet. Ein gutes Beispiel für dieses Missionsszenario ist die Mars Missiob "InSight" (gelandet 2018). Zwei der Instrumente, eine Wärmeflusssonde (HP3) und ein Seismometer (SEIS), weden mit hilfe eines Roboterarms auf die Oberfläche abgelassen und sind dannnach nur noch über ein elektrisches Kabel mit der Landeeinheit verbunden. Zwar erhöht dieses Missionsdesign die Flexibiblität bezüglich der Positionierung, jedoch müssen die Instrumenten selbst in der Lage sein ihre Positition auf der Oberfläche beizubehalten. Die Position kann dabeu durch Umgebungsbedingungen /Wind) oder durch das Instrument selbst (Erschüterrungen) beeinflusst werden. Da diese Instrumente üblicherweise sehr leicht, sehr klein und so einfach wie möglich gebaut sein müssen, können keine aktiven Verankerungsmechanismen genutzt werden. Anstelle dessen werden die Füße der Instrumente so ausgeführt, dass sie einen möglichst hohen Widerstand gegen Verrutschen herstellen. Dadurch kann eine möglichst gute Positionierung im Betrieb gewährleistet werden. Die form der Füße selber wurde dabei bisher im Wesentlichen über Experimente mit einzelnen Ausführungsformen ausgewählt. Dadurch kann jedoch nur eine begrenzte Anzahl von formen getestet werden, die aufwendig an neue Missionen angepasst werden müssen. Diese Arbeit hat einen Algorithmus entwickelt, der in Abhängigkeit der Umgebungsbedingungen (z.B. Bodeneigenschaften, Bauraum etc.) selbständig eine Fußform entwickelt, welche möglichst hohen Widerstand gegen Verrutschen bildet. Für die Entwicklung des Algorithmus wurden zunächst bisherige Formen für ähnliche Anwendungen aus der Raumfahrt, aber auch aus anderen Bereichen analysiert. Auf Basis dieser Recherche konnten drei prinzipielle Formen abgeleitet werden. Diese drei Geometrien wurden im Rahmen einer Parameterstudie miteinander verglichen. Dabei wurde ihr Widersand gegen Verrutschen unter anderem für verschiedene Kontaktflächen und Bodendrücke, Bodeneigenschaften und Eindringtiefen ermittelt. Zwei der Geometrien wurden für die Implementierung in den Designalgorithmus ausgewählt. der Designalgorithmus wurde so ausgelegt, dass er innerhalb des zur Verfügung stehenden Bauraums die beiden prinzipiellen Geometrien so kombiniert, dass der Widerstand gegen Verrutschen maximiert wird, Dis wurde durch die Kombination einer parametrisierten Fußform ("generisches Fußdesign") mit enem evolutionären Algorithmus ermöglicht. Nachdem das Funktionsprinzip anhand von simplen Beispielen verifiziert wurde, wurde der Algorithmus auf das HP3 Instrument angewendet. Dabei wurden zunächst die Randbedingungen analysiert und auf Basis dessen eine neue Fußform angewendet durch den Algorithmus erstellt. diese Fußform wurde experimentell erprobt und mit dem bisherigen Design verglichen. Dabei zeigte sich, dass das bisherige Design bereits sehr gut geeignet für diese Mission ist und das optimierte Design nur eine leichte Verbesserung darstellt. Damit konnte nachgewiesen werden, dass der neue Algorithmus in der Lage ist eine geeignete Form mit deutlich weniger Designaufwand zu generieren. Des Weiteren konnt der Algorithmus erfolgreich auch für komplexe Systeme angewandt werden.