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

Cette these a pour but d’ameliorer notre comprehension de la dynamique du regolithe en faible gravite grâce a des simulations numeriques. Elle s’inscrit dans le cadre de deux missions de retour d’echantillon, Hayabusa2 (JAXA) et OSIRIS-REx (NASA). Les simulations ont ete realisees grâce au code numerique N-corps pkdgrav, adapte pour modeliser les interactions avec un milieu granulaire. Des simulations numeriques sont comparees aux resultats d’experiences d’impact a faible vitesse et valident les simulations dans ce contexte. La forme de la force de Coulomb (force de friction s’opposant a la penetration) semble evoluer de constante a proportionnelle a la profondeur de penetration, lorsque la taille ou le rapport de taille impacteur/grain augmente. De plus, des simulations de plans inclines ont ete realisees pour etudier les relations entre les parametres de pkdgrav et l’approche continue utilisant la loi constitutive μ(I) reliant le parametre de friction et le nombre inertiel. Pour une friction moderee, une telle relation peut etre etablie ; cependant, les divergences dans les profils de vitesse entre les deux methodes sont trop grandes avec des materiaux a haute friction tels que du gravier. Sur la mission Hayabusa2, apres une breve analyse de la geophysique de Ryugu sont presentes des travaux sur l’atterrisseur MASCOT (CNES-DLR) et sur le mecanisme de recolte. Les simulations concernant MASCOT ont ete realisees pour mieux comprendre la reponse de l’impact de l’atterrisseur sur la surface granulaire supposee, et pour aider l’equipe d’ingenieurs pour le choix du site d’atterrissage et l’interpretation des resultats. Parmi les resultats, la distance parcourue apres impact augmente pour des lits moins profonds, des impacts plus rasants, des materiaux avec de plus hautes frictions et lorsque MASCOT atterrit sur son coin arriere. Il est aussi montre que les traces laissees par MASCOT apres l’impact dependent de son attitude et des proprietes de friction de la surface. En outre, des simulations additionnelles ont ete realisees avec un rocher et un mur vertical, pour modeliser le veritable contexte de l’atterrissage. Celles-ci montrent que des ratios de vitesse avant et apres impact peuvent etre aussi faibles que 0.3 a cause de micro-rebonds (rapide succession de contacts), et non pas necessairement a cause d’une surface ou d’un rocher ductile. Une etude numerique de la recolte de Hayabusa2 est ensuite presentee, d’abord sans la modelisation de la structure du collecteur pour en extraire des resultats generaux sur le processus de craterisation en faible gravite dans un milieu granulaire, et les comparer a la litterature. Par exemple, les lignes de courant dans le milieu sont bien representees par le modele analytique appele Z-model, et la quantite d’ejecta semble dependre directement de la vitesse d’impact. Avec le collecteur, l’objectif scientifique de collecter au moins 100 mg est rempli dans la majorite des simulations. Enfin, la mission OSIRIS-REx et sa cible (101955) Bennu sont presentees. Deux phenomenes observes sur l’asteroide, l’ejection de particules et la formation de terrasses, sont traites en tant qu’applications des chapitres precedents. Certaines ejections de particules peuvent potentiellement etre expliquees par la retombee de particules deja ejectees, modelisee par une adaptation des simulations sur MASCOT. De plus, en utilisant des simulations de plans inclines, une etude preliminaire cherche a comprendre la formation de terrasses sur Bennu. En conclusion, un grand eventail de simulations de dynamiques de milieux granulaires, dans diffrentes conditions, ont ete realisees et appliquees au cadre des missions Hayabusa2 et OSIRIS-REx. Cependant, les resultats et les outils numeriques developpes dans ce but sont suffisamment generaux pour pouvoir etre appliques a des futures missions vers des petits corps, telles que la mission MMX (JAXA) vers Phobos et les missions de deviation d’asteroide Hera (ESA) et DART (NASA).