Les petits corps célestes sont d'un grand intérêt pour la communauté scientifique. L'histoire de leur évolution reflète les mécanismes qui ont conduit à la formation de notre système solaire. Grâce à plusieurs missions récentes visant ces corps, nous avons pu visiter et explorer une poignée de petits corps et, par conséquent, avons acquis une meilleure compréhension de leurs propriétés dynamiques et de surface. Les astéroïdes que nous avons pu visiter à ce jour sont recouverts d'un matériau granulaire meuble appelé régolithe. Les matériaux granulaires présentent des comportements notoirement complexes sur Terre. Par exemple, ils peuvent transitionner entre les états solides, liquides et même quasi-gazeux lorsqu'ils sont agités par une force externe. Même si les interactions granulaires sont soumises aux mêmes lois de contact sur les petits corps que sur Terre, on ne sait toujours pas comment la résistance et les comportements d'écoulement du matériau évoluent réellement avec la gravité. Comprendre le lien entre la gravité et la dynamique granulaire est essentiel pour l'interprétation correcte des événements d'impact et de l'histoire géologique des petits corps en général, afin de déterminer les origines des traits uniques du terrain et, bien sûr, pour prédire le résultat des opérations in situ lors des missions vers des petits corps. Dans cette thèse, nous examinons la dynamique des interactions lentes et granulaires sur les surfaces des petits corps. Le travail est motivé par la mission Martian Moons eXploration, qui visitera les deux lunes de Mars et déploiera un rover roulant à la surface de Phobos. Nous étudions comment la faible gravité sur Phobos pourrait influencer le comportement d'atterrissage, d'enfoncement, et de roulement du rover, en supposant que la surface est recouverte d'un fin régolithe. Nous commençons par présenter un code que nous utilisons pour effectuer des simulations numériques, selon la méthode des éléments discrets (sphère molle). Dans le cadre de cette thèse, le code a été fortement modifié et validé. Ensuite, nous analysons les collisions à faible vitesse en utilisant les résultats d'expériences en tour de chute et de simulations numériques. Nous constatons que le comportement de collision évolue avec le rapport entre les forces d'inertie et les forces gravitationnelles dans le système, et nous développons un nouveau modèle de collision théorique qui peut être utilisé pour prédire le résultat d'une collision lente pour n'importe quel niveau de gravité. Ensuite, nous nous concentrons sur les interactions granulaires dans le régime quasi-statique, et nous simulons l'enfoncement du rover. Nous comparons les modèles d'enfoncement du domaine de la terramécanique aux modèles de la théorie de traînée granulaire, et nous montrons comment les deux théories prédisent que l'enfoncement statique est indépendant de la gravité. Enfin, nous menons des expériences et des simulations avec une seule roue de rover, et nous évaluons les performances de conduite en fonction de la vitesse et de la gravité. Encore une fois, nous observons que le comportement de roulement est lié au rapport entre les forces d'inertie et les forces gravitationnelles du système. Cette thèse montre comment la gravité influence les comportements solides et fluides d'un matériau granulaire, offrant une nouvelle perspective sur la façon d'interagir avec le régolithe lors des futures missions vers des petits corps. |
Small celestial bodies are of great interest to the scientific community, because their evolutionary histories reflect the processes that led to the formation of our Solar System as a whole. Thanks to a number of recent small body missions, we have been able to visit and explore a handful of small bodies, and as a result, have gained a better understanding of their diverse surface and dynamical properties. The asteroids that we have visited to date are covered with a loose granular material referred to as regolith. Granular materials display notoriously complex behaviors on Earth. For example, they can transition through solid, liquid, and even gas-like states when agitated by an external force. Even though granular interactions adhere the same contact laws on small bodies as on Earth, it is still unclear how the bulk strength and flow behaviors of the material actually scales with gravity. Understanding the link between gravity and granular dynamics is essential for the proper interpretation of impact events, for determining the origins of unique terrain features, for understanding the general geological history of small bodies, and of course, for predicting the outcome of in-situ operations during small body missions. In this thesis, we take a closer look at the dynamics behind slow, granular interactions on small body surfaces. The work is motivated by the upcoming Martian Moons eXploration mission, which will visit the two moons of Mars and deploy a wheeled-rover to the surface of the larger moon, Phobos. We investigate how the low-gravity environment on Phobos might influence the landing, sinking, and rolling behavior of the rover, assuming that the surface is covered by fine regolith. We begin by presenting an open-source code that we use to conduct numerical simulations, per the soft-sphere discrete element method. As part of this thesis, the code was heavily modified and validated. Next, we analyze low-velocity collisions using the results from drop-tower experiments and numerical simulations. We find that collision behavior scales with the ratio of the inertial to the gravitational forces in the system, and we develop a novel theoretical collision model that can be used to predict the outcome of slow landing events for any gravity level. Then, we focus on granular interactions in the quasi-static regime, and we simulate rover sinkage on Earth and Phobos. We compare sinkage models from the field of terramechanics against sinakge models from granular drag theory, and we show how both theories accurately predict that static sinkage is independent of gravity. Finally, we conduct experiments and simulations using a single rover wheel, and we assess driving performance by driving speed and gravity level. Once again, we observe that rolling behavior relates to the ratio of the inertial to the gravitational forces a system. This thesis shows how gravity influences the solid and fluid-like behaviors of a granular material, providing a fresh perspective on how to interact with regolith during future small body missions. |