Study of a manned mission to Phobos from an interdisciplinary approach: Design of a rigid articulated elbow within the development of a hard space suit & design of the telecommunication satellite Tovarishch I

Abstract

[ES] El objetivo de este proyecto era estudiar distintas consideraciones de una misión tripulada a Phobos (luna de Marte) desde un enfoque multidisciplinar. Este estudio ha sido llevado cabo parcialmente en el marco del Programa Romulus (Hábitat de Largo Plazo en una Luna Marciana para Exploración, Experimentación y Teleoperación) desarrollado por la Universidad de Maryland para participar en el NASA RAS-AL 2016-2016: Misión Tripulada a una Luna Marciana, una competición universitaria de diseño de una misión a todos los niveles de ingeniería. Este proyecto puede ser diferenciado en dos partes. El objetivo de la primera parte era diseñar un codo rígido y articulado como parte del desarrollo de un traje espacial duro en el marco de un escenario de condiciones simplificadas. Este proyecto se ha centrado en el estudio de la geometría de las diferentes partes que formarían el sistema del codo y de la adecuada funcionalidad gracias a la junta diseñada para satisfacer los requerimientos de movimiento. El análisis geométrico ha sido realizado simplificando el diseño en un modelo 2D y estudiando su trigonometría manualmente y mediante software matemático. La solución diseñada ha consistido en segmentos de cáscara dura con forma de esfera bitruncada que han sido unidos mediante anillos concéntricos que les permitía rotar libremente sin perder la consistencia estructural. El diseño ha sido realizado mediante software de CAD y el producto ha sido fabricado mediante técnicas de impresión 3D. La solución ha sido capaz de cumplir el rango de movimiento para cumplir los requerimientos, no siguiendo el movimiento natural del codo pero sí con la ayuda de un pequeño par de fuerzas aplicado en la junta. Esta dificultad ha aparecido como resultado de la fricción existente entre los dos anillos complementarios que forman el sistema de la junta. Para resolver el problema evitando la fricción, diseños futuros podrían mejorarse, por ejemplo, introduciendo rodamientos en el sistema. El diseño resultante podría ser usado para desarrollar un traje espacial rígido completo que los astronautas podrían usar en la misión a Phobos con todos los beneficios que aportaría. El objetivo de la segunda parte del proyecto era diseñar un satélite que cumpliera los requerimientos que la planificación de la misión determinó. Ha sido diseñado bajo restricciones de transporte y para operar en el marco de una constelación de seis unidades que orbitarían Phobos. El diseño resultante, el Tovarishch I, permitiría la apropiada comunicación en cualquier momento entre los diferentes sistemas que incluyen presencia humana: la Tierra, el vehículo de tránsito y la base en Phobos; además de la teleoperación de rovers en Marte desde la base en Phobos. El diseño final ha sido el resultado de estudiar un compromiso entre diferentes parámetros tanto estructurales como operacionales y ha podido ofrecer una actuación aceptable a todos los niveles. Futuras mejores podrían incluir el uso de tecnología óptica de telecomunicación de nueva generación, como las técnicas de telecomunicación mediante laser. El objetivo del proyecto entero también incluía el conocimiento y desarrollo de distintas técnicas de trabajo para llevar a cabo las diferentes tareas que tienen lugar en el proceso de diseño en la ingeniería. Desde el estudio de los requerimientos y el establecimiento del problema hasta fabricación del producto, distintas etapas han sido enfrentadas y superadas: entendimiento de los requerimientos, análisis geométrico, estudio de los compromisos entre distintos parámetros, proceso de diseño, y fabricación y verificación en el caso del codo. Como resultado de la naturaleza iterativa del proceso de ingeniería, tareas de distintas etapas han sido llevadas a cabo en múltiples ocasiones hasta que la solución final ha sido alcanzada. No se llevaron a cabo procedimientos de testeado, dejando disponible una enorme perspectiva

[EN] The goal of this project was to study different considerations of a manned mission to Phobos (Mars moon) from a multidisciplinary approach. This study was performed partially within the Romulus Program (Long-Term Mars Lunar Habitat for Exploration, Experimentation, and Teleoperation) developed by the University of Maryland to participate in NASA RASC-AL 2015-2016: Crewed Mars Moons Mission, a university-level, full mission architecture engineering design competition. This project can be differentiated in two parts. The goal of the first part of the project was to design a functional articulated rigid elbow as a part of the development of a hard space suit in the frame of a simplified conditions scenario. This project focused on the study of the geometry of the different parts that would form the elbow system and the proper functionality thanks to the joint designed to fulfill the movement requirements. The geometric analysis was performed simplifying the design into a 2D model and studying its trigonometry manually and by means of mathematical software. The designed solution consisted in hard shell segments bitruncated-sphere-shaped that were joined by means of concentric rings that allowed them to rotate freely without losing the structural consistency. The design was performed by means of CAD software and the product was fabricated by 3D printing techniques. The solution was able to fulfill the range of movement to fulfill the requirements, not following the natural elbow movement but with the help of a low torque applied to the joint. This difficulty appeared as a result of the existent friction between the two complementary rings that formed the joint system. In order to avoid the problem overcoming the friction, futures designs could be improved, for instance, introducing bearings in the system. The resulting design could be used to develop a full rigid space suit that astronauts could use in the mission to Phobos with all the benefits that it would provide. The purpose of the second part of the project was to design a satellite that fulfilled the requirements that the mission planning stated. It was designed under transportation restrains and to operate within a constellation of six units that orbit around Phobos. The resulting design, the Tovarishch I, allowed the proper communication anytime between the different systems that included man presence: Earth, transit vehicle and Phobos outpost; as well as the teleoperation of Mars rovers from the Phobos outpost. The final design was the result of trading different structural and operational parameters and could offer an acceptable performance. Future improvements could include the use of next generation optical telecommunication technologies such as laser communication techniques. The purpose of the whole project also included the understanding and development of different work techniques to perform the different tasks that take place in the engineering design process. From the study of the requirements and the statement of the problem until the actual fabrication of the product, different stages were faced and overcame: understanding of the requirements, geometrical analysis, trade studies of different parameters, design process, and fabrication and verification in the case of the elbow. As a result of the iterative nature of the engineering process, tasks from different stages were performed many times until the final solution was reached. Test procedures were not performed, letting a huge perspective of possibilities available to continue this project in the future. Interesting procedures to improve the elbow design could include stress test as well as other physical analysis such as finding out the needed force to perform the movements in different configurations.