Etude de la dynamique des poussières lunaires et de leur impact sur les systèmes d'exploration - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2016

Study of lunar dust dynamics and their impact on exploration system

Etude de la dynamique des poussières lunaires et de leur impact sur les systèmes d'exploration

Résumé

The lunar exploration represents, since its beginning, a major part of all national space agencies activities. The Apollo missions have been the height of these projects and have started the study of the lunar surface. The scientists have studied the interactions of the lunar surface with plasma surrounding the Moon but also with equipment sent on the lunar surface. Observations have shown the presence of regolith particles covering the surface of the Moon crust. This layer of dust grains can be several meters thick. Astronauts have noted that these dust particles, created by micrometeorites impacts on the lunar surface, are very abrasive and adhesive. They are an important risk for equipment sent on the Moon. Thus, the understanding of the origins of dust grains transport is vital to successfully plan future missions. Beyond the ejection due to micrometeorites impacts and human or robotic activity, the lunar dust dynamics can also be produced by electrostatic phenomena, especially at boundaries between shadowed and sunlit regions. Astronauts’ observations of a dust cloud above the lunar surface at sunrise and sunset are evidence of this dynamic. However, the mechanisms causing this dust cloud are unknown. More recent missions have shown that the presence of dust grains at high altitudes is correlated with meteorites impacts whereas dust particles at a few meters above the lunar surface are due to electrostatic effects. It is thus necessary to understand the interactions between dust grains and the lunar environment in order to prevent their lift and the pollution of equipment on the lunar surface. The objective of this PhD thesis is the understanding and the modelling of dust particles charge and electrostatic transport near boundaries between shadow and light. An experimental device, named DROP, has been developed to observe dust grains electrostatic transport in controlled conditions and to allow an interpretation and a physical understanding of this dynamic. It permits a live observation of particles movements by applying electric fields to dust grains charged by UV radiation. The tests are reproducible and allowed to highlight the most important parameters in the behavior of dust particles. They also led to the adaptation of a numerical model pre-existing and developed in the same laboratory. The comparison between numerical and experimental results enables to constraint the parameters used in the model in order to make it more accurate.
L’exploration lunaire représente depuis ses débuts une part importante de l’activité des différentes agences spatiales nationales. Les missions Apollo en ont marqué l’apogée mais ont également été le point de départ de l’étude de la surface lunaire. Les scientifiques se sont notamment intéressés aux interactions de la surface lunaire avec le plasma qui l’entoure mais également avec les appareils envoyés sur place. Les observations ont mis en évidence la présence de régolithe recouvrant la croûte lunaire et formant une épaisse couche de poussières à la surface. Il a notamment été constaté par les astronautes que ces particules, principalement issues du bombardement constant de la surface lunaire par des micrométéorites, sont très abrasives et tranchantes. Elles représentent un risque matériel important pour les équipements envoyés sur la Lune et la nécessité de comprendre les origines du transport de ces poussières est rapidement devenue incontournable pour le bon déroulement des futures missions. Au-delà de l’éjection due aux impacts météoritiques et de l’activité humaine ou robotique, le mouvement de ces poussières lunaires peut également être issu de phénomènes électrostatiques, particulièrement présents au niveau de frontières entre ombre et lumière. Les observations par les astronautes d’un nuage de poussières se trouvant au-dessus de la surface aux coucher et lever du Soleil en sont la preuve. Cependant, les mécanismes à l’origine de ce nuage sont encore peu connus. Des missions plus récentes ont montré que la présence de grains de poussière à haute altitude est corrélée avec les impacts de météorites. La présence de grains à quelques mètres seulement au-dessus de la surface témoigne plutôt d’effets électrostatiques. Il est donc nécessaire de comprendre les interactions entre les poussières et l’environnement lunaire afin de prévenir leur dépôt et la pollution d’appareils se trouvant à la surface. L’objectif de la thèse est de comprendre et de modéliser la charge et le transport électrostatique des poussières au niveau des interfaces entre ombre et lumière. Un dispositif expérimental nommé DROP a été développé afin d’observer le transport électrostatique de poussières dans des conditions maîtrisées et permettant une interprétation et une compréhension physique de cette dynamique. Il permet l’observation en temps réel du déplacement des particules par l’application de champs électriques à des poussières chargées sous irradiation UV. Les tests effectués sont reproductibles et ont permis de dégager les paramètres les plus importants dans la dynamique des poussières. Ils ont également rendu possible l’adaptation d’un modèle numérique préexistant et développé au sein du même laboratoire. La confrontation des résultats obtenus à l’aide de ces deux outils a entraîné la contrainte des paramètres utilisés au sein du modèle afin de le rendre plus représentatif de la situation lunaire.
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Dates et versions

tel-01486589 , version 1 (10-03-2017)

Identifiants

  • HAL Id : tel-01486589 , version 1

Citer

Amandine Champlain. Etude de la dynamique des poussières lunaires et de leur impact sur les systèmes d'exploration. Physique de l'espace [physics.space-ph]. INSTITUT SUPERIEUR DE L'AERONAUTIQUE ET DE L'ESPACE (ISAE), 2016. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01486589⟩

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