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Título: Reliability analysis of lunar rover wheel designs - methodology and visual inspection technique
Autores: Parbatani, Karim
Fecha: 2012
Publicador: McGill University - MCGILL
Fuente:
Tipo: Electronic Thesis or Dissertation
Tema: Engineering - Mechanical
Descripción: This thesis presents a methodology for prediction of reliability for a lunar rover and a technique to evaluate reliability where data for operation in the lunar environment are not available in order to conduct traditional reliability analysis. This technique was applied to lunar rover wheel designs.The maximum distance travelled by the Lunar Roving Vehicle (LRV) during the Apollo 17 mission was approximately 35.9 km. Presently, McGill University, Neptec and the Canadian Space Agency are collaborating to develop a wheel set for an LRV, which is targeted to have a five-year operational service. This underlines the importance of the reliability of an LRV, which will be required to travel thousands of kilometres. The Neptec Design Group has developed a methodology to estimate the reliability of a lunar rover, i.e., the Lunar Rover Reliability Prediction (LRRP) where the project was divided into two phases. Phase 1 consisted of three milestones which included background research of the various reliability models currently available, the specific software tools that execute these models, and the ability to adapt these tools to account for lunar environmental factors (e.g., temperature, regolith, low gravity). Results demonstrated that Relex provided a strong package of fully integrated software tools to execute a group of reliability models (FMEA [Failure Modes and Effects Analysis], Fault Tree, Standards Prediction, ALT [Accelerated Life Testing]). Mission simulation software was identified to be a worthwhile addition and GoldSim was considered to be the best choice to provide mission simulation analysis. Phase 2 outlined the process for estimating the reliability of a lunar rover for a 5-year operational life on the moon based on the recommendations detailed in Phase 1. LRRP has been a success, but Neptec was only able to obtain earth bound data for use in the methodology. Hence, research on cryogenic wear was explored and the summary of relevant findings is as follows: the wear rate of steel and titanium at 293K and 77K are about the same below a sliding speed of 1m/s; the wear rate at 77K above 1m/s is higher for most materials and the coefficient of friction for steel on steel at 77K and 273 K is about the same. The information present in the literature is insufficient to evaluate LRV reliability under lunar environmental conditions. This underlines the necessity for an alternative methodology, for instance, the visual inspection technique, to evaluate reliability of systems (e.g., a lunar rover), where useful data are not available.The visual inspection technique is described and an analysis of five historical wheels and four new wheels designed by McGill University is given. The wheel designs were visually analysed according to specific criteria with respect to potential failure under lunar conditions (temperature, vacuum, regolith) considering wear resistance, thermal compatibility, excess loading, torque, etc. Potential wheel performance was quantified using a numerical scale with respect to potential failure due to events, such as temperature fluctuation, wheel-rock impact, excess payload and abrasive wear. The best designs were the Apollo 17 wire mesh wheel (historical) and the iRing wheel (McGill). A reliability checklist for lunar wheel designs is given to serve as a guideline to avoid unreliable design features. The visual inspection technique was successful and can be applied to other complex systems where experimental testing under actual conditions is not possible, although background knowledge and expert opinion are necessary to perform an evaluation.
Cette thèse présente une méthodologie pour la prédiction de la fiabilité des roues lunaires, et une technique pour évaluer la fiabilité de la conception de ces roues, pour lesquelles les données d'opération dans l'environnement lunaire ne sont pas disponibles, afin que nous puissions effectuer une analyse de fiabilité traditionnelle. La distance maximale traversée par le Rover Lunaire durant la mission Apollo 17 était d'environ 35.9 km. Aujourd'hui, l'Université de McGill, le groupe Neptec Design et l'Agence Spatiale Canadienne travaillent ensemble afin de développer une roue de Rover Lunaire pouvant être opérationnelle pendant 5 ans. Cela souligne l'importance de la fiabilité des roues, qui auront à traverser des milliers de kilomètres. Le groupe Neptec Design a réussi à développer une méthodologie afin d'estimer la fiabilité d'un rover lunaire, comme nous le montre le document Prédiction de Fiabilité de Rover Lunaire (PFRL) qui a été publié par l'entreprise. Cette méthodologie comprend deux phases. Phase 1 contient trois étapes incluant les recherches approfondies concernant les différents modèles de fiabilité disponibles, les outils logiciels spécifiques qui permettent la mise en place de ces modèles, et l'habilité à adapter ces outils à l'environnement lunaire (par exemple, la température, la présence de régolite, les radiations, l'apesanteur). La Phase 2 décrit le processus d'estimation de la fiabilité du rover lunaire pour une durée de 5 ans sur la Lune, basé sur les recommandations détaillées dans la Phase 1. Le PFRL a été un succès mais Neptec est seulement capable d'utiliser des données earthbound pour la méthodologie, ce qui est insuffisant. Donc, le domaine de l'usure à la cryogénie à été exploré à travers la littérature et les bases de données, et le résumé des éléments qui ont été relevés intéressants est le suivant : le taux d'usure de l'acier et du titane à 293K et 77K sont à peu près les mêmes, en dessous de 1m/s ; le taux d'usure à 77K en dessous de 1m/s est plus haut pour la plupart des matériaux et le coefficient de frottements pour l'acier sur l'acier à 77K et 273K est à peu près le même. Cela souligne la nécessité d'une méthodologie alternative, par exemple, la technique d'inspection visuelle, pour évaluer la fiabilité d'un système quand des données utiles ne sont pas disponible. La technique d'inspection visuelle est décrite et une analyse de 9 conceptions de roues (cinq anciennes roues et quatre nouvelles roues conçues par l'Université de McGill) est démontrée. Les conceptions des roues sont analysées visuellement en fonction de critères spécifiques, sans négliger les risques d'échec potentiels si l'on transpose aux conditions lunaires (température, aspiration, et régolites), la fiabilité mécanique, sans oublier les obstacles à la performance, la résistance à l'usure, la compatibilité thermale, la vitesse de chargement, la torsion, etc. Une échelle numérique a été créée et la performance potentielle de la roue a été quantifiée en prenant compte des évènements pouvant causer un échec comme les fluctuations de températures, le soudage à froid, les impacts de rochers, un excès de charge et une usure abrasive. Les résultats ont indiqué que la meilleure conception historique était la roue à treillis métallique d'Apollo 17 et que la meilleure conception contemporaine est la roue iRing. L'exposé donne aussi une "liste de conception pour la fiabilité", qui peut potentiellement servir de guide afin d'éviter les traits de conceptions avec des failles. La technique d'inspection visuelle a été un succès et peut être appliquée à d'autres systèmes complexes où les tests expérimentaux dans les conditions actuelles ne sont pas possibles. Cependant, des connaissances préliminaires et une expertise sont nécessaires afin de mettre en place l'évaluation.
Idioma: en