Master's Thesis

Structural and Strength Design of a Lunar Robotic Crane for the EL3 Landing Module

Final Thesis 4.22 MB

Author of thesis: Bc. Patrik Valo

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Vratislav Šálený, Ph.D.

Reviewer: Ing. Robert Popela, Ph.D.

Abstract:

This thesis presents the structural and strength design of a proposed unloading mechanism forthe European lunar lander EL3/Argonaut. The system is designed to meet strict mission requirements: lifting at least 1000 kg on the lunar surface, reaching 6900 mm from the lander’s edge, and remaining under 50 kg in launch mass, all while maintaining compactness during launch.
The final design includes a four-stage telescopic mast capable of 360° rotation and a foldable arm composed of eight hinged sections of varying lengths. Both the mast and arm use
lightweight aluminum alloy 2090-T6.
Arm deflection is controlled via a winch and aramid luffing cable mounted on the mast, while payload handling is performed by a second winch and aramid hoist cable with a hook. The entire crane is designed for automated deployment.
Critical components, such as hinges, pivot joint, luffing cable attachment, and bolted joints were analytically evaluated for structural integrity. Additionally, a finite element analysis was conducted to assess the arm’s behavior under expected loading conditions.

Keywords:

Lunar crane, space payload handling, foldable arm, telescopic mast, space structure

Date of defence

08.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaCznamka

Grading

C

Process of defence

Student prezentoval svoji závěrečnou práci která se zabývala konstrukčním a pevnostním návrhem lunárního robotického jeřábu pro přistávací modul EL3. V následné rozpravě student popisoval jak byla kromě zatíření při provozu na měsíci zohledněna také zatížení při letu na nosiči. Následná obecná rozprava se týkala zatížení stožáru jeřábu, vyrobitelnosti závěsů jeřábu, svařitelnosti použitelných materiálů a zatížení konstrukce.

Language of thesis

English

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Institute of Aerospace Engineering

Study programme

Aerospace Technology (N-LKT-P)

Specialization

Aircraft Design (STL)

Composition of Committee

doc. Ing. Jaroslav Juračka, Ph.D. (předseda)
Ing. Milan Dvořák, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Vladimír Daněk, CSc. (člen)
Ing. Miroslav Šplíchal, Ph.D. (člen)
Ing. David Jágr (člen)
Ing. Josef Bajer (člen)
doc. Ing. Jan Zouhar, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Vratislav Šálený, Ph.D.

Autor práce prokázal schopnost rychle a kvalitně si osvojit řadu nových znalostí z oblasti vývoje zařízení pro kosmické aplikace. Téma práce velmi úzce souvisí s aktuálním průmyslovým zadáním Evropské kosmické agentury zaměřeným na návrh jeřábu pro vykládání nákladu z logistického přistávacího modulu EL3 na povrchu Měsíce. Autor se velmi dobře vypořádal s komplexností řešené problematiky a v průběhu zpracování práce pravidelně konzultoval navrhovaná řešení. Práce vyniká zejména inovativním přístupem a originalitou některých navržených konstrukčních řešení. Autor prokázal schopnost efektivně využívat moderní CAD a MKP nástroje a současně správně aplikovat analytické metody pevnostních výpočtů. Práci považuji za mimořádně zdařilou. Svým rozsahem, odbornou úrovní i originalitou navržených řešení převyšuje běžný standard diplomových prací. Práci jednoznačně doporučuji k obhajobě a navrhuji její hodnocení stupněm A – výborně.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Robert Popela, Ph.D.

Student Patrik Való zpracoval diplomovou práci na téma konstrukčního návrhu a pevnostní kontroly jeřábu pro přistávací modul Argonaut. V úvoní části práce student představuje program Artemis a roli "landeru" EL3. Navazuje popisem fyzikálních podmínek pro provoz jeřábu na povrchu Měsíce. Dále představuje rešerši robotických ramen a jeřábů, tedy přehled stavu techniky v dané oblasti. Zde se nejšířeji věnuje konceptu NASA LSMS - Lightweit Surface Manipulation System.

V navazující kapitole pak přechází student ke koncepčnímu návrhu jeřábu. Zde není zcela jasné zda přestavuje někým zadaný koncept jeřábu nebo sám autor vytváří a definuje koncept jeřábu. V textu se roztroušeně objevují zásadní požadavky na jeřáb z hlediska manipulační obálky, tj. rozměrů břemen, dosahu jeřábu a další. Není zde uvedena předpokládaná hmotnost břemen. Kapitola působí značně roztříštěně, neboť kombinuje popis typickýc řešení jeřábů pro mimozemské aplikace a zároveň konkrétní koncept pro další práci.

Navazuje kapitola šest s průzkumem dostupných materiálů a jejich porovnání. Autor porovnává zejména specifickou pevnost pro letecké duraly, titanové slitiny a okrajově pro kompozitní materiály. Kapitola nekončí konkrétním výběrem materiálu pro další analýzu.

Kapitola sedm pak je těžištěm práce a obsahuje návrh a pevnostní analýzu prvků jeřábu. Hned v úvodu se objevuje rozhodnutí použít profil 100x100 na rameno jeřábu bez jakéhokoliv zdůvodnění či odkazů. Dále je popsán postup určení délek segmentů a postup složení ramene pro let. Dále je zmíněno vytvoření Matlab skriptu pro analýzu obálky zatížrní ramene pro maximální hmotu břemene 1000kg. Dle popisu bylo provedeno dimenzování tloušťky stěn pro kažý segment ramene a to parametricky pro různé materiály. Je provedeno dimenzování s analytickou statickou pevnostní kontrolou a analýza vzpěrné stability segmentů. Je rovněž uváženo mazání závěsů z hlediska studených svárů. což bývá často opomíjeno. Následuje obdobný postup pro stožár jeřábu. V podkapitole 7.6 pak je definován přístup k vytvoření a provedení pevnostní analýzy pomocí metody konečných prvků. Je použit program Nastran. Jsou definovány případy zatížerní, materiálové vstupní charakteristiky a typ analýzy, Následně jsou prezentovány výstupy analýz. Postup je raionální a logický, případy zatížení korelují s analytickým výpočtem.

V kapitole osmé pak autor shrnuje výsledky výpočtů a konstrukčního návrhu. Zásadní je tabulka 6 se shrnutím předpokládaných hmotností jednotlivých strukturálních komponent jeřábu a potvrzuje splnění limitu 50 kg.

Celkově práce působí kvalitně, nicméně mírně roztříštěným dojmem a není vždy jasné která řešení byla studentovi zadána a která jsou jeho vlastním přínosem. Toto by bylo vhodné během obhajoby okomentovat.

Práci doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti C
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. Jsou v návrhu kromě zatížení při provozu na Měsíci zohledněna zatížení při letu na nosiči ? Např. vibrace a jejich vliv na studené sváty mezi prvky konstrukce nebo na pojistné prvky ?

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová