Publication: Self-powered and low mass autonomous platform for planetary surface exploration
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Publication date
2016-02
Defense date
2016-02-19
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Abstract
Nowadays and during the following decades, planetary surface exploration of rocky bodies in our Solar System (especially the Moon, Mars and some asteroids), will be one of the main strategic goals for the different space agencies around the world. This thesis stablishes the technological basis for the implementation of a fixed scientific monitoring infrastructure over a planet surface. The concept proposed is aimed to provide a reliable and cost effective system for the continuous surface monitoring of the inner rocky planets of our Solar System.
Traditionally these surface exploration missions have been led by progressively more and more complex and expensive systems with challenging scientific and technological objectives (i.e. NASA Mars rovers, ESA ExoMars program or the
Chinese Chang'e 3 mission). This space exploration paradigm benefits from deploying highly ambitious and expensive platforms able to perform complex scientific experiments, but it is exposed to the risk of a complete mission loss in the case of a platform failure.
Beyond the traditional rovers or landers, the concept proposed is based on an ad-hoc Wireless Sensor Network composed of small fixed platforms aimed to sense, process, share between them and finally transmit scientific data to a satellite orbiter for further transmission to Earth. The conceived system is able to operate autonomously during years, harvesting the required energy from the planet surface environment. Such a concept deployed over a planet surface would represent the first fixed infrastructure over an extraterrestrial rocky body.
This work is focused in the platform overall design, including the ad-hoc scientific payload, and provides reliable technological solutions for the different critical aspects of the concept proposed.
The platform conceived is a low mass dual body: (i) a tetrahedron body highly optimized both in mass (2000g) and volume (tetrahedron envelope of 200x200 mm of base and 200 mm of height) that will remain over the planet surface; (ii) a penetrator body (3260 g) of 300 mm in height, 100 mm in diameter and with the shape of a ballistic missile aimed to go between 0.3 and 1.2 meters below the subsurface of the planet. The deployment method selected is penetration (hard-landing). This method drastically simplifies the descent system required, thus reducing the related costs. Specific solutions for the conceived platform are proposed with the objective of ensuring the platform operability after the landing impact.
The scientific payload conceived is highly integrated with low power consumption requirements. The payload presented in this work comprises a dust deposition sensor, three surface temperature sensors, a radiation sensor and three multispectral irradiance sensors.
Day and night energy harvesting systems are proposed, which represents an innovation in this kind of platforms.
Finally, a specific control architecture is presented aimed to provide the required autonomous behavior to the platform. This autonomous behavior in combination with a dynamic thermal regulation and the day and night energy harvesting systems allow the platform conceived to drastically increase its science return and life time.
En la actualidad y durante las próximas décadas, la exploración de las superficies planetarias de los cuerpos rocosos de nuestro Sistema Solar (especialmente de la Luna, Marte y la de algunos asteroides), será uno de los objetivos estratégicos de las diferentes agencias espaciales de todo el mundo. Esta tesis establece las bases tecnológicas para la implantación de una infraestructura de monitorización científica sobre la superficie de un planeta. El concepto propuesto está orientado a obtener un sistema fiable y económico para la monitorización continua de la superficie planetaria de los cuerpos rocosos internos de nuestro Sistema Solar. Tradicionalmente este tipo de exploración de superficies planetarias ha sido llevada a cabo por sistemas cada vez más y más complejos y costosos (por ejemplo los vehículos exploradores para Marte de la NASA, el programa ExoMars de la Agencia Espacial Europea o la misión china Chang'e 3). Este paradigma de exploración espacial aprovecha la oportunidad de desplegar plataformas muy complejas y ambiciosas capaces de realizar complejos experimentos científicos, pero expuestas al riesgo de la pérdida completa de la misión en caso de un fallo en la plataforma de exploración. Más allá de los tradicionales vehículos exploradores o sondas, el concepto propuesto se basa en pequeñas plataformas capaces de medir, procesar, compartir entre ellas y finalmente enviar los datos medidos a un satélite en órbita para una posterior transmisión a la Tierra, mediante el uso de redes de sensores inalámbricos a medida. El sistema ideado es capaz de operar autónomamente durante años, recolectando la energía requerida en el propio ambiente de la superficie del planeta. Este tipo de concepto, desplegado sobre la superficie de un planeta, representaría la primera infraestructura fija sobre la superficie de un cuerpo rocoso extraterrestre. El trabajo presentado se enfoca en el diseño global de la plataforma, incluyendo la instrumentación científica y aporta soluciones técnicas para los aspectos más críticos del concepto propuesto. La plataforma ideada está basada en dos cuerpos: (i) un cuerpo con forma tetraédrica muy optimizado en peso (2000 gr) y en volumen (envolvente del tetraedro de 200x200 mm de base y 200 mm de altura) que permanecerá en la superficie del planeta; (ii) el cuerpo del penetrador (3260 gr) de 300 mm de altura, 100 mm de diámetro y con la forma de un misil balístico enfocado a enterrarse entre 0.3 y 1.2 metros por debajo de la superficie del planeta. El sistema de despliegue seleccionado es la inserción (“aterrizaje duro”, del inglés “hard-landing”), simplificando drásticamente de esta forma el sistema de descenso requerido, y por lo tanto reduciendo los costes asociados. Se proponen igualmente soluciones específicas para la plataforma ideada de forma que se asegure su integridad operacional después del impacto durante el aterrizaje. Se ha definido una instrumentación científica altamente integrada y con unos requisitos de consumo muy bajos. La instrumentación desarrollada consta de un sensor de polvo depositado, tres sensores de temperatura superficial, un sensor de radiación y tres sensores de irradiación multiespectral. Se proponen asimismo sistemas de obtención de energía durante el día y la noche, lo que representa una innovación en este tipo de plataformas. Finalmente, se presenta una arquitectura de control específica enfocada a proporcionar a la plataforma el comportamiento autónomo que se requiere. Este comportamiento autónomo en combinación con un sistema dinámico de regulación térmica y de los sistemas de obtención de energía durante el día y la noche permite a la plataforma concebida incrementar en gran medida la información científica obtenida y la vida útil de la misión en su conjunto.
En la actualidad y durante las próximas décadas, la exploración de las superficies planetarias de los cuerpos rocosos de nuestro Sistema Solar (especialmente de la Luna, Marte y la de algunos asteroides), será uno de los objetivos estratégicos de las diferentes agencias espaciales de todo el mundo. Esta tesis establece las bases tecnológicas para la implantación de una infraestructura de monitorización científica sobre la superficie de un planeta. El concepto propuesto está orientado a obtener un sistema fiable y económico para la monitorización continua de la superficie planetaria de los cuerpos rocosos internos de nuestro Sistema Solar. Tradicionalmente este tipo de exploración de superficies planetarias ha sido llevada a cabo por sistemas cada vez más y más complejos y costosos (por ejemplo los vehículos exploradores para Marte de la NASA, el programa ExoMars de la Agencia Espacial Europea o la misión china Chang'e 3). Este paradigma de exploración espacial aprovecha la oportunidad de desplegar plataformas muy complejas y ambiciosas capaces de realizar complejos experimentos científicos, pero expuestas al riesgo de la pérdida completa de la misión en caso de un fallo en la plataforma de exploración. Más allá de los tradicionales vehículos exploradores o sondas, el concepto propuesto se basa en pequeñas plataformas capaces de medir, procesar, compartir entre ellas y finalmente enviar los datos medidos a un satélite en órbita para una posterior transmisión a la Tierra, mediante el uso de redes de sensores inalámbricos a medida. El sistema ideado es capaz de operar autónomamente durante años, recolectando la energía requerida en el propio ambiente de la superficie del planeta. Este tipo de concepto, desplegado sobre la superficie de un planeta, representaría la primera infraestructura fija sobre la superficie de un cuerpo rocoso extraterrestre. El trabajo presentado se enfoca en el diseño global de la plataforma, incluyendo la instrumentación científica y aporta soluciones técnicas para los aspectos más críticos del concepto propuesto. La plataforma ideada está basada en dos cuerpos: (i) un cuerpo con forma tetraédrica muy optimizado en peso (2000 gr) y en volumen (envolvente del tetraedro de 200x200 mm de base y 200 mm de altura) que permanecerá en la superficie del planeta; (ii) el cuerpo del penetrador (3260 gr) de 300 mm de altura, 100 mm de diámetro y con la forma de un misil balístico enfocado a enterrarse entre 0.3 y 1.2 metros por debajo de la superficie del planeta. El sistema de despliegue seleccionado es la inserción (“aterrizaje duro”, del inglés “hard-landing”), simplificando drásticamente de esta forma el sistema de descenso requerido, y por lo tanto reduciendo los costes asociados. Se proponen igualmente soluciones específicas para la plataforma ideada de forma que se asegure su integridad operacional después del impacto durante el aterrizaje. Se ha definido una instrumentación científica altamente integrada y con unos requisitos de consumo muy bajos. La instrumentación desarrollada consta de un sensor de polvo depositado, tres sensores de temperatura superficial, un sensor de radiación y tres sensores de irradiación multiespectral. Se proponen asimismo sistemas de obtención de energía durante el día y la noche, lo que representa una innovación en este tipo de plataformas. Finalmente, se presenta una arquitectura de control específica enfocada a proporcionar a la plataforma el comportamiento autónomo que se requiere. Este comportamiento autónomo en combinación con un sistema dinámico de regulación térmica y de los sistemas de obtención de energía durante el día y la noche permite a la plataforma concebida incrementar en gran medida la información científica obtenida y la vida útil de la misión en su conjunto.
Description
Keywords
Planetary surface exploration, Rocky bodies, Autonomous platforms, Wireless sensor networks