Diseño de un sistema de absorción de energía para el aterrizaje de módulos de exploración espacial
DOI:
https://doi.org/10.37636/recit.v7n2e345Palabras clave:
Estructura de pared delgada, Exploración espacial, Método de elemento finito, Sistema de absorción de energíaResumen
Actualmente la exploración espacial está convirtiéndose en una actividad cada vez más importante desde que permiten aumentar el conocimiento en cuanto a la formación de planetas, actividades económicas (minería espacial) así como un mejor entendimiento de fenómenos geológicos y biológicos que permitan en el futuro la creación de hábitats humanos fuera del planeta Tierra. En este sentido, uno de los principales problemas de la exploración espacial está asociado al aterrizaje seguro de las sondas espaciales. A partir de lo anterior el presente artículo propone el diseño de un sistema de absorción de energía del tipo pasivo basado en deformación plástica de perfiles estructurales de aluminio. Para tal propósito se diseñaron y evaluaron individualmente perfiles estructurales con diversas formas geométricas utilizando el software de elementos finitos Abaqus. La evaluación numérica se realizó a través de ensayos de compresión en conjunto con el cálculo de los principales parámetros de resistencia al impacto. Los resultados mostraron un mejor desempeño del perfil CH-C el cual obtuvo la mejor eficiencia de fuerza de aplastamiento (CFE) igual a 0.83. A partir de lo anterior se implementó en un modelo discreto de un módulo de aterrizaje.
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J. S. J. Schwartz, The value of science in space exploration. New York, Ny, United States Of America: Oxford University Press, 2020.
doi: 10.1093/oso/9780190069063.001.0001. DOI: https://doi.org/10.1093/oso/9780190069063.001.0001
G. Reibaldi y M. Grimard, “Non-Governmental Organizations importance and future role in Space Exploration”, Acta Astronaut., vol. 114, pp. 130–137, 2015. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2015.04.023 DOI: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2015.04.023
E. Afshinnekoo, R. T. Scott, M. J. MacKay, E. Pariset y E. Cekanaviciute, “Fundamental Biological Features of Spaceflight: Advancing the Field to Enable Deep-Space Exploration”, NASA Public Access, vol. 183, no. 5, pp. 1162–1184, 2021.https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.10.050 DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.10.050
J. P. Vandenbrink and J. Z. Kiss, “Space, the final frontier: A critical review of recent experiments performed in microgravity,” Plant Science, vol. 243, pp. 115–119, Feb. 2016. https://doi.org/10.1016/j.plantsci.2015.11.004. DOI: https://doi.org/10.1016/j.plantsci.2015.11.004
P. Arm et al., “Scientific exploration of challenging planetary analog environments with a team of legged robots”, Sci. Robot., vol. 8, no. 80, julio de 2023. Accedido el 13 de abril de 2024. https://doi.org/10.1126/scirobotics.ade9548 DOI: https://doi.org/10.1126/scirobotics.ade9548
R. Fisackerly, A. Pradier, B. Houdou y B. Gardini, “The ESA Lunar Lander Mission”, AIAA SPACE 2011 Conf. & Expo., pp. 2011–2029, 2011. https://arc.aiaa.org/doi/10.2514/6.2011-7217 DOI: https://doi.org/10.2514/6.2011-7217
A. D. Steltzner, D. Kipp, T. P. Rivellini, A. Chen y A. Miguel San Martin, “Mars science laboratory entry, descent, and landing system development challenges”, J. Spacecraft Rockets, vol. 51, no. 4, pp. 994–1003, 2014. https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20090007730/downloads/20090007730.pdf DOI: https://doi.org/10.2514/1.A32866
J. A. Grant, M. P. Golombek, S. A. Wilson, K. A. Farley, K. H. Williford y A. Chen, “The science process for selecting the landing site for the 2020 Mars rover”, Planet. Space Sci., vol. 164, pp. 106–126, diciembre de 2018. https://doi.org/10.1016/j.pss.2018.07.001: DOI: https://doi.org/10.1016/j.pss.2018.07.001
H. Boehnhardt et al., “The Philae lander mission and science overview”, Philos. Trans. Roy. Soc. A: Math., Physical Eng. Sci., vol. 375, no. 2097, p. 20160248, mayo de 2017. https://doi.org/10.1098/rsta.2016.0248 DOI: https://doi.org/10.1098/rsta.2016.0248
R. W. Maddock, A. M. D. Cianciolo, C. D. Karlgaard, A. M. Korzun, D. K. Litton y C. H. Zumwalt, “Insight Entry, Descent, and Landing Post-Flight Performance Assessment”, J. Spacecraft Rockets, vol. 58, no. 5, pp. 1530–1537, 2021. [En línea]. Disponible: https://doi.org/10.2514/6.2020-1270 DOI: https://doi.org/10.2514/1.A35023
K. A. Farley et al., “Mars 2020 Mission Overview”, Space Sci. Rev., vol. 216, no.8, diciembre de 2020. Accedido el 13 de abril de 2024. [En línea]. Disponible: https://doi.org/10.1007/s11214-020-00762-y DOI: https://doi.org/10.1007/s11214-020-00762-y
G. M. Martínez et al., “The Modern Near-Surface Martian Climate: A Review of In-situ Meteorological Data from Viking to Curiosity”, Space Sci. Rev., vol. 212, no. 1-2, pp. 295–338, abril de 2017. Accedido el 13 de abril de 2024. [En línea]. Disponible: https://doi.org/10.1007/s11214-017-0360-x DOI: https://doi.org/10.1007/s11214-017-0360-x
M. Nazari-Sharabian, M. Aghababaei, M. Karakouzian y M. Karami, “Water on Mars—A Literature Review”, Galaxies, vol. 8, no. 2, p. 40, mayo de 2020. https://doi.org/10.3390/galaxies8020040 DOI: https://doi.org/10.3390/galaxies8020040
J. A. Crisp, M. Adler, J. R. Matijevic, S. W. Squyres, R. E. Arvidson y D. M. Kass, “Mars Exploration Rover mission”, J. Geophysical Res.: Planets, vol. 108, E12, octubre de 2003. https://doi.org/10.1029/2002je002038 DOI: https://doi.org/10.1029/2002JE002038
J. N. Maki et al., “The Mars 2020 Engineering Cameras and Microphone on the Perseverance Rover: A Next-Generation Imaging System for Mars Exploration”, Space Sci. Rev., vol. 216, no. 8,pp. 1-48,noviembre de 2020. https://doi.org/10.1007/s11214-020-00765-9 DOI: https://doi.org/10.1007/s11214-020-00765-9
Q.Yuan, H. Chen, H. Nie,G. Zheng, C. Wang, y L. Hao, “Soft-Landing Dynamic Analysis of a Manned Lunar Lander Em-Ploying Energy Absorption Materials of Carbon Nanotube Buckypaper ”. Materials, vol.14, no. 20 6202,2021. https://doi.org/10.3390/ma14206202 DOI: https://doi.org/10.3390/ma14206202
Z.Wang, C. Chen, J. Chen, y G. Zheng, “ 3D Soft-Landing Dynamic Theoretical Model of Legged Lander: Modeling and Analysis”. Aerospace, vol. 10, no. 9, pp. 811,2023. https://doi.org/10.3390/aerospace10090811 DOI: https://doi.org/10.3390/aerospace10090811
N. Saeki, S. Hara, M. Otsuki, y Y. Yamada, “Analytical and experimental investigation of base–extension separation mechanism for spacecraft landing”, J. Spacecr. Rockets, vol. 52, núm. 3, pp. 896–916, 2015. https://doi.org/10.2514/1.A32956 DOI: https://doi.org/10.2514/1.A32956
C. Wang, H. Nie, J. Chen, y H. P. Lee, “Damping force analysis and optimization of a lunar lander with MRF”, J. Aerosp. Eng., vol. 33, núm. 3, 2020. https://doi.org/10.1061/(ASCE)AS.1943-5525.0001115 DOI: https://doi.org/10.1061/(ASCE)AS.1943-5525.0001115
S. Schröder, B. Reinhardt, C. Brauner, I. Gebauer, y R. Buchwald, “Development of a Marslander with crushable shock absorber by virtual and experimental testing”, Acta Astronaut., vol. 134, pp. 65–74, 2017. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2017.01.023 DOI: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2017.01.023
Y. Liu, S. Song, M. Li, y C. Wang, “Landing stability analysis for lunar landers using computer simulation experiments”, Int. J. Adv. Robot. Syst., vol. 14, no. 6, p. 172988141774844, 2017. https://doi.org/10.1177/1729881417748441 DOI: https://doi.org/10.1177/1729881417748441
G. Aravind et al., “Design, analysis and stability testing of lunar lander for soft-landing”, Mater. Today, vol. 24, pp. 1235–1243, 2020.
https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.04.438 DOI: https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.04.438
W. Wei et al., “Research on aluminum honeycomb buffer device for soft landing on the lunar surface”, Int. J. Aerosp. Eng., vol. 2021, pp. 1–20, 2021. https://doi.org/10.1155/2021/7686460 DOI: https://doi.org/10.1155/2021/7686460
S. Ji y S. Liang, “DEM-FEM-MBD coupling analysis of landing process of lunar lander considering landing mode and buffering mechanism”, Adv. Space Res., vol. 68, no. 3, pp. 1627–1643, 2021. DOI:10.1016/j.asr.2021.03.034 DOI: https://doi.org/10.1016/j.asr.2021.03.034
S. Liang y S. Ji, “DEM-FEM coupling analysis of safe landing of reentry capsule considering landing attitude and rebound response”, J. Aerosp. Eng., vol. 34, no. 4, 2021.DOI:10.1061/(ASCE)AS.1943-5525.0001267 DOI: https://doi.org/10.1061/(ASCE)AS.1943-5525.0001267
P. Jiang, S. Zhang, H. Yang, and Y. Li, “Suture interface inspired self-recovery architected structures for reusable energy absorption,” ACS Appl. Mater. Interfaces, vol. 15, no. 36, pp. 43102–43110, 2023.DOI: 10.1021/acsami.3c06463 DOI: https://doi.org/10.1021/acsami.3c06463
X. Hou, P. Xue, Y. Wang, P. Cao, and T. Tang, “Theoretical and discrete element simulation studies of aircraft landing impact,” J. Braz. Soc. Mech. Sci. Eng., vol. 40, no. 3, 2018. DOI:10.1007/s40430-018-0983-1 DOI: https://doi.org/10.1007/s40430-018-0983-1
W. Dou, X. Qiu, Z. Xiong, Y. Guo, and L. Zhang, “A footpad structure with reusable energy absorption capability for deep space exploration lander: Design and analysis,” Chin. J. Mech. Eng., vol. 36, no. 1, 2023.DOI:10.1186/s10033-023-00918-1 DOI: https://doi.org/10.1186/s10033-023-00918-1
M. Li, Z. Deng, R. Liu, and H. Guo, “Crashworthiness design optimisation of metal honeycomb energy absorber used in lunar lander,” Int. J. Crashworthiness, vol. 16, no. 4, pp. 411–419, 2011.DOI:10.1080/13588265.2011.596677 DOI: https://doi.org/10.1080/13588265.2011.596677
J. Zhou, S. Jia, J. Qian, M. Chen, and J. Chen, “Improving the buffer energy absorption characteristics of movable lander-numerical and experimental studies,” Materials (Basel), vol. 13, no. 15, p. 3340, 2020. https://doi.org/10.3390/ma13153340 DOI: https://doi.org/10.3390/ma13153340
Q. Estrada, D. Szwedowicz, A. Rodriguez-Mendez, O. A. Gómez-Vargas, M. Elias-Espinosa, and J. Silva-Aceves, “Energy absorption performance of concentric and multi-cell profiles involving damage evolution criteria,” Thin-Walled Struct., vol. 124, pp. 218–234, 2018.. https://doi.org/10.1016/j.tws.2017.12.013 DOI: https://doi.org/10.1016/j.tws.2017.12.013
Y. Chen, G. Zhu, and Z. Wang, “Crashworthiness optimization of tapered UD-CFRP tube accounting for multiple loading pangles,” Int. J. Automot. Technol., vol. 24, no. 4, pp. 1075–1088, 2023 DOI:10.1016/j.compstruct.2019.110920 DOI: https://doi.org/10.1007/s12239-023-0088-4
Q. Estrada et al., “Effect of radial clearance and holes as crush initiators on the crashworthiness performance of bi-tubular profiles,” Thin-Walled Struct., vol. 140, pp. 43–59, 2019. DOI:10.1016/j.tws.2019.02.039 DOI: https://doi.org/10.1016/j.tws.2019.02.039
N. Qiu, Y. Gao, J. Fang, Z. Feng, G. Sun, and Q. Li, “Crashworthiness analysis and design of multi-cell hexagonal columns under multiple loading cases,” Finite Elem. Anal. Des., vol. 104, pp. 89–101, 2015. https://doi.org/10.1016/j.finel.2015.06.004 DOI: https://doi.org/10.1016/j.finel.2015.06.004
S. Zhang, W. Chen, D. Gao, L. Xiao, and L. Han, “Experimental study on dynamic compression mechanical properties of aluminum honeycomb structures,” Appl. Sci. (Basel), vol. 10, no. 3, p. 1188, 2020. https://doi.org/10.3390/app10031188 DOI: https://doi.org/10.3390/app10031188
J. Wang and Y. Cao, “Influence of the geometric parameters on the densification onset strain of double-walled honeycomb aluminum under out-of-plane compression,” Adv. Mater. Sci. Eng., vol. 2020, pp. 1–7, 2020. https://doi.org/10.1155/2020/6012067 DOI: https://doi.org/10.1155/2020/6012067
M. Rogala, J. Gajewski, and M. Ferdynus, “The effect of geometrical non-linearity on the crashworthiness of thin-walled conical energy-absorbers,” Materials (Basel), vol. 13, no. 21, p. 4857, 2020. https://doi.org/10.3390/ma13214857 DOI: https://doi.org/10.3390/ma13214857
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