Preliminär utformning av en CubeSat-baserad landare för ett rymduppdrag där tumlandet av en liten asteroid ska bromsas

Asteroid mining is expected to become reality in the near future. The first step is to redirect an asteroid to a stable Earth orbit so that mining technologies can be demonstrated. Detumbling of the asteroid is one of the important steps in asteroid redirection missions. In this thesis, a preliminary lander CubeSat design is suggested for a small asteroid detumbling mission. The candidate asteroid for the detumbling mission is chosen to be 2014 UR, an Arjunatype asteroid with an estimated diameter ranging from 10.6 to 21.2 m. Due to the small size of the asteroid, the landing must be performed with an active control method after which the spacecraft must be firmly anchored to the asteroid. By using the multi-criteria decision making method PROMETHEE, the microspine gripper is chosen as the most suitable anchoring mechanism. Three main mission drivers are identified during the design process: data-flow between the lander and the mothership, Delta-V budget and pointing accuracy. The Delta-V required for landing on the asteroid and despinning it is estimated to be 10 m/s and 0.15 m/s at most, respectively. The uncertainty with the despinning Delta-V is due to varying estimates of the size of the asteroid. The required minimum pointing accuracy is estimated to be 6 degrees. The preliminary lander CubeSat design can be largely realised with commercial off-the-shelf components suggested in this work. Only some of the components have to be custom built or the technologies further developed. It is shown that a CubeSat lander is not able to detumble an asteroid that is rotating fast around multiple axes. However, if the considered asteroid is rotating around a single axis with a rotational period of 2.4 hours, it is be possible to despin it by spending just 1.5 kg of propellant. The suggested lander is a 12U CubeSat with an overall mass of 15 kg and power consumption of 65 W.Gruvdrift på asteroider förväntas att bli verklighet inom en snar framtid. Det första steget är att omdirigera en asteroid till en stabil omloppsbana runt jorden så att gruvteknik kan demonstreras. Bromsning av asteroidens tumlande är en av de viktigaste stegen i ett rymduppdrag där en asteroid ska omdirigeras. I detta examensarbete föreslås en preliminär asteroidlandare baserad på CubeSat-teknik för ett rymduppdrag där en asteroid ska omdirigeras. En asteroid av Arjuna-typ, 2014 UR, med en diameter på mellan 10.6 och 21.2 m är vald som kandidat för rymduppdraget. På grund av att asteroidens är relativt liten till storlek måste landningen utföras med en aktiv reglermetod och rymdfarkosten måste förankras till asteroiden. Med hjälp av en beslutsmetod utifrån flera mål, PROMETHEE, identifierades förankringsmetoden “mikro-ryggrads-gripare” som den mest lämpliga. Tre huvuduppgifter för rymduppdraget identifierades under designprocessen: dataflöde mellan landaren och moderfarkosten, Delta-V-budgeten och peknoggrannheten. Delta-V som krävs för landning på asteroiden uppskattas att vara högst 10 m/s. Bromsningen av tumlandet kostar högst 15 m/s. Osäkerheten med Delta-V för bromsning av tumlandet beror på olika uppskattningar av asteroidens storlek. Den nödvändiga minsta peknoggrannheten uppskattades vara 6 grader. Utformningen av landaren, baserad på CubeSat-teknik, använder till största delen komponenter som finns på hyllan, s.k. commercial-off-the-shelf. Det visas att en CubeSat-landare inte kan bromsa tumlandet för en asteroid som roterar snabbt kring flera axlar. Om den valda asteroiden roterar runt en axel med en rotationsperiod på 2.4 timmar, är det möjligt att bromsa tumlandet med endast 1.5 kg drivmedel. Den föreslagna landaren är en 12U CubeSat med en total massa på 15 kg och strömförbrukning på 65 W.