Roulage en milligravité : faisabilité et performance d'une roue à la surface d'un petit corps

par Cecily Sunday

Projet de thèse en Astrophysique, Sciences de l'Espace, Planétologie

Sous la direction de Naomi Murdoch et de Patrick Michel.

Thèses en préparation à Toulouse, ISAE , dans le cadre de École doctorale Sciences de lu2019univers, de lu2019environnement et de lu2019espace , en partenariat avec ISAE-ONERA PSI Physique Spatiale et Instrumentation (laboratoire) et de ISAE/DEOS/SDU2E Département Electronique Optronique Signal (equipe de recherche) depuis le 15-10-2018 .


  • Résumé

    Si l'observation depuis la Terre a pu révéler le grand nombre et la diversité des petits corps du système solaire, seule leur exploration in-situ permettra de répondre aux questions qu'ils soulèvent aujourd'hui sur leur composition physique et chimique. Cela explique la recrudescence de missions dédiées aux petits corps (Osiris-Rex, Hayabusa-2, Mars Moon Explorer, etc.) ainsi que les efforts déployés par les agences internationales (DLR, NASA, JAXA) pour permettre l'exploration de leur surface. De par leur faible gravité (entre 10-6 et 10-2 g) les astéroïdes (e.g. Eros), les comètes (e.g. Churyumov-Gerasimenko) et les petits satellites (e.g. Phobos) se révèlent des candidats difficiles pour une mobilité de surface. En milligravité (i.e. autour de 10-3g), le poids très faible d'un véhicule ne permet des tractions que 1,000 fois plus faibles que celles dont bénéficient les rovers martiens et lunaires. Surtout, le comportement du régolithe des petits corps est peu compris et donc difficile à prévoir, notamment à cause du rôle majeur joué par les forces de cohésion à ces échelles de gravité. Le comportement du régolithe tient alors davantage à celui d'une poudre cohésive comme la farine qu'à celui d'un gravier fin. Cette thèse explorera donc la faisabilité et la performance attendue d'un véhicule à roue à la surface d'un petit corps. L'étude reposera sur la modélisation du sol par méthodes à éléments discrets (DEM). Cette approche consiste à simuler l'interaction détaillée des grains de régolithe un-à-un (friction, résistance au roulement, cohésion, etc.). A partir d'un code DEM préexistant (e.g. ESyS-Particle) qui sera identifié au commencement de l'étude, la thèse examinera et implémentera les modifications nécessaires à apporter pour modéliser les interactions spécifiques d'une roue avec le régolithe d'un petit corps. L'étape de modélisation franchie, la thèse appliquera l'outil développé à la résolution du problème du roulage : traction et manœuvrabilité (simplifiée) dans différents types de régolithe, à différents niveaux de gravité. Les travaux seront conduits avec l'ISAE-Supaéro : l'encadrante est une experte du régolithe des petits corps, des méthodes DEM ainsi que du développement d'expériences (vols paraboliques, tours de chute) permettant la validation des simulations numériques. Au terme de la thèse, nous aurons répondu aux questions suivantes : quelle est la force de traction que l'on peut attendre d'un régolithe en milligravité ? comment cette traction évolue-t-elle quand la gravité change ? comment la cohésion du régolithe affecte-elle l'écoulement autour de la roue ? Ces réponses nous permettront de déterminer le seuil de gravité minimum, selon le régolithe attendu, en dessous duquel le roulage devient impraticable ou trop inefficace pour être préféré à d'autres solutions (e.g. les « hoppers » Mascot (DLR), Hedgehog (JPL) ou Minerva (JAXA)). Les missions vers les petits corps constituent des opportunités de collaborations inter-agences très intéressantes et abordables en coût et en complexité. La compétence sur la locomotion en milligravité peut se révéler cruciale pour participer en tant que partenaire à ce genre de mission. C'est également un domaine de coopération actif entre le CNES (à DSO/DV/IF) et le DLR (à Oberpfaffenhofen) qui a déjà une certaine expérience dans le domaine avec leurs outils de simulation multi-corps et leurs outils de modélisation DEM. Cette thèse consoliderait l'axe d'étude et cette coopération.

  • Titre traduit

    Rolling in milligravity: feasibility and performance of a rover on the surface of a small body


  • Résumé

    Even though observations from the Earth have revealed the great number and diversity of small bodies (asteroids and comets) in the Solar System, only an in-situ exploration of these bodies, accompanied if possible by a sample return, can answer many of the open questions today about their physical and chemical composition. This explains the resurgence of missions dedicated to small bodies (OSIRIS-REx, Hayabusa-2, Mars Moon Explorer, etc.) and the efforts of international space agencies (ESA, NASA, JAXA, DLR, CNES) to explore their surfaces. Asteroids (e.g. Eros), comets (e.g. Churyumov-Gerasimenko), and small satellites (e.g. the Martian moon Phobos) prove to be difficult candidates for surface mobility due to their low gravity (100 to a million times lower than the gravity of the Earth, g). In milli-gravity (i.e. around 10-3 g), the very low weight of a vehicle means that the traction is 1,000 times lower than that of the Martian and lunar rovers. Additionally, the behaviour of the regolith (the layer of more or less fine grains found on the surface of these bodies) of the small bodies is poorly understood and is, therefore, difficult to predict. This is especially true because the properties of the regolith are often unknown before we arrive at the body, and also due to the potentially major role played by cohesive forces at these levels of gravity: the behaviour of the regolith may actually be more like that of a cohesive powder than that of a fine gravel. This thesis will, therefore, explore the feasibility and the expected performance of a wheeled vehicle on the surface of a small body. The study will be based on soil modeling using discrete element methods (DEM). This approach consists in simulating the detailed interaction between individual regolith grains (friction, rolling resistance, cohesion, etc.). From a pre-existing DEM code that will be identified at the beginning of the study, the thesis will examine and implement the necessary modifications to model the specific interactions of a wheel with the regolith of a small body. Once the modeling step has been completed, the thesis will apply the tool developed to solve the problem of rolling: traction and (simplified) maneuverability in different types of regolith, at different levels of gravity. During this thesis, we will tackle the following questions: what is the traction force that one can expect from a regolith in milligravity? How does this traction evolve when gravity changes? How do the characteristics of the regolith flow and the resulting tracks at the surface vary with the regolith properties? How do the cohesion of the regolith and the wheel geometry affect the flow around the wheel? These studies will allow us to determine the minimum gravity threshold, depending on the expected regolith, below which rolling becomes impracticable or too inefficient to be preferred to other solutions such as Mascot hoppers (DLR), Hedgehog (JPL) or Minerva (JAXA).