Thèse soutenue

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
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Auteur / Autrice : Florian Thuillet
Direction : Patrick Michel
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Sciences de la planète et de l'univers
Date : Soutenance le 29/10/2019
Etablissement(s) : Université Côte d'Azur (ComUE)
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Nice (1965-2019)
Laboratoire : Laboratoire Joseph-Louis Lagrange (Nice, Alpes-Maritimes ; 2012-....) - Joseph Louis LAGRANGE
Jury : Président / Présidente : Sébastien Charnoz
Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Charnoz, Elena Lega, Hideaki Miyamoto, Aurélie Moussi
Rapporteurs / Rapporteuses : Sébastien Charnoz, Olivier Barnouin

Résumé

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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).