Modeling of impact and surface processes on small bodies : interpretation of observations, implications for their physical properties and support to space mission operations - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2019

Modeling of impact and surface processes on small bodies : interpretation of observations, implications for their physical properties and support to space mission operations

Modélisation des processus d’impact et de surface des petits corps : interprétation des observations, implications sur leurs propriétés physiques, et support aux opérations des missions spatiales

Résumé

This thesis aims for a better understanding of the dynamics of regolith in a low-gravity environment through numerical simulations. It is incorporated within the framework and operations of two sample-return missions towards near-Earth asteroids, JAXA’s Hayabusa2 and NASA’s OSIRIS-REx. The simulations were performed with the numerical N-body code pkdgrav adapted to model the interactions with granular medium. Comparing the results of low-speed impact experiments in glass beads with numerical simulations, great agreements were found, demonstrating the validity of these simulations to this application. The form of the Coulomb force (friction force opposing the penetration) was also derived and seems to go from constant to proportional to penetration depth for an increasing size or impactor-grain size ratio. Moreover, inclined plane simulations were also conducted to investigate the relations between parameters of pkdgrav and the continuum approach using a constitutive law μ(I) relating the friction parameter and inertial number. For a moderate friction, such a relation can be established; however, the discrepancies between methods in the velocity profiles are too large for high-friction materials such as gravel. Concerning the Hayabusa2 mission, after a brief analysis of Ryugu’s geophysics are presented the studies on CNES-DLR MASCOT lander and on the sampling mechanism. MASCOT simulations were performed in order to better understand the impact response of the lander on assumed surface granular materials, and to support the engineering team in the landing site selection and the interpretation of landing outcome. Among the results is the increase in the distance traveled after impact for shallower beds, more-grazing impacts, higher-friction materials, and with MASCOT landing on its back corner. It is also shown that the post-impact traces left by MASCOT depend on the lander’s attitude and the surface friction properties. Furthermore, additional simulations were performed with a boulder and a side wall, to model the actual landing context. These lead to the realization that outgoing-to-incoming speed ratios as low as 0.3 could be due to microbounces (quick succession of contacts), and not necessarily to a soft surface/boulder. Then is presented a numerical study of Hayabusa2 sampling, firstly without the modeling of the structure of the sampler, to derive general results on impact cratering in low gravity on a granular material and compare them to the literature. For instance, it was found that streamlines in the bed are well represented by the analytical Z-model, and that the ejecta quantity seems to scale with the impact velocity. With the horn, the majority of simulations fulfill the scientific objective of collecting at least 100 mg. Finally are introduced the OSIRIS-REx mission and its target (101955) Bennu. Two phenomena observed on the asteroid, i.e., particle ejections and terraces, are treated as applications of previous chapters. Some particle ejections can potentially be explained by re-impacts of particles after a first ejection, modeled with an adaptation of MASCOT simulations. In addition, using inclined planes, a preliminary study aims at understanding the formation of terraces on Bennu. To conclude, a large range of simulations of granular material dynamics in different conditions were performed and applied to Hayabusa2 and OSIRIS-REx results and devices. However, the results and associated developed numerical tools are general enough to be applied to future missions devoted to small body exploration and interaction, such as the JAXA MMX mission to Phobos and ESA Hera/NASA DART asteroid deflection missions.
Cette thèse a pour but d’améliorer notre compréhension de la dynamique du régolithe en faible gravité grâce à des simulations numériques. Elle s’inscrit dans le cadre de deux missions de retour d’échantillon, Hayabusa2 (JAXA) et OSIRIS-REx (NASA). Les simulations ont été réalisées grâce au code numérique N-corps pkdgrav, adapté pour modéliser les interactions avec un milieu granulaire. Des simulations numériques sont comparées aux résultats d’expériences d’impact à faible vitesse et valident les simulations dans ce contexte. La forme de la force de Coulomb (force de friction s’opposant à la pénétration) semble évoluer de constante à proportionnelle à la profondeur de pénétration, lorsque la taille ou le rapport de taille impacteur/grain augmente. De plus, des simulations de plans inclinés ont été réalisées pour étudier les relations entre les paramètres de pkdgrav et l’approche continue utilisant la loi constitutive μ(I) reliant le paramètre de friction et le nombre inertiel. Pour une friction modérée, une telle relation peut être établie ; cependant, les divergences dans les profils de vitesse entre les deux méthodes sont trop grandes avec des matériaux à haute friction tels que du gravier. Sur la mission Hayabusa2, après une brève analyse de la géophysique de Ryugu sont présentés des travaux sur l’atterrisseur MASCOT (CNES-DLR) et sur le mécanisme de récolte. Les simulations concernant MASCOT ont été réalisées pour mieux comprendre la réponse de l’impact de l’atterrisseur sur la surface granulaire supposée, et pour aider l’équipe d’ingénieurs pour le choix du site d’atterrissage et l’interprétation des résultats. Parmi les résultats, la distance parcourue après impact augmente pour des lits moins profonds, des impacts plus rasants, des matériaux avec de plus hautes frictions et lorsque MASCOT atterrit sur son coin arrière. Il est aussi montré que les traces laissées par MASCOT après l’impact dépendent de son attitude et des propriétés de friction de la surface. En outre, des simulations additionnelles ont été réalisées avec un rocher et un mur vertical, pour modéliser le véritable contexte de l’atterrissage. Celles-ci montrent que des ratios de vitesse avant et après impact peuvent être aussi faibles que 0.3 à cause de micro-rebonds (rapide succession de contacts), et non pas nécessairement à cause d’une surface ou d’un rocher ductile. Une étude numérique de la récolte de Hayabusa2 est ensuite présentée, d’abord sans la modélisation de la structure du collecteur pour en extraire des résultats généraux sur le processus de cratérisation en faible gravité dans un milieu granulaire, et les comparer à la littérature. Par exemple, les lignes de courant dans le milieu sont bien représentées par le modèle analytique appelé Z-model, et la quantité d’ejecta semble dépendre directement de la vitesse d’impact. Avec le collecteur, l’objectif scientifique de collecter au moins 100 mg est rempli dans la majorité des simulations. Enfin, la mission OSIRIS-REx et sa cible (101955) Bennu sont présentées. Deux phénomènes observés sur l’astéroïde, l’éjection de particules et la formation de terrasses, sont traités en tant qu’applications des chapitres précédents. Certaines éjections de particules peuvent potentiellement être expliquées par la retombée de particules déjà éjectées, modélisée par une adaptation des simulations sur MASCOT. De plus, en utilisant des simulations de plans inclinés, une étude préliminaire cherche à comprendre la formation de terrasses sur Bennu. En conclusion, un grand éventail de simulations de dynamiques de milieux granulaires, dans diffrentes conditions, ont été réalisées et appliquées au cadre des missions Hayabusa2 et OSIRIS-REx. Cependant, les résultats et les outils numériques développés dans ce but sont suffisamment généraux pour pouvoir être appliqués à des futures missions vers des petits corps, telles que la mission MMX (JAXA) vers Phobos et les missions de déviation d’astéroïde Hera (ESA) et DART (NASA).
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-02860049 , version 1 (08-06-2020)

Identifiants

  • HAL Id : tel-02860049 , version 1

Citer

Florian Thuillet. Modeling of impact and surface processes on small bodies : interpretation of observations, implications for their physical properties and support to space mission operations. Astrophysics [astro-ph]. COMUE Université Côte d'Azur (2015 - 2019), 2019. English. ⟨NNT : 2019AZUR4074⟩. ⟨tel-02860049⟩
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