Thèse Année : 2023

Thermo-mechanical properties of a regolith simulant of the mars insight mission site

Propriétés thermomécaniques d'un simulant de régolithe du site de la mission Mars Insight

Résumé

The NASA Mars InSight mission is a Discovery mission aiming at to investigating the interior of the red planet to support the understanding of its formation process and that of other rocky planets. One of the many study fronts faced by the InSight Mission Science Team is the study of the properties of the material in direct contact with the lander and its instruments, some of which were deployed on the surface of the planet by using a robotic arm. This endeavour is the key objective of the Near Surface Working Group (NSWG), and the main goal of the different works and results presented in this document is related to this research goal. The lander uses three main instruments: the first one is the Seismic Experiment for Interior Structure (SEIS), a highly accurate seismometer resulting from decades of work by French institutions including Centre National des Études Spatiales CNES and Institut de Physique du Globe de Paris IPGP; this instrument is the most relevant for this work. The second one is the Heat and Physical Properties Package (HP3), a thermal probe designed to drill inside the Martian surface to depths of up to 5m. The last one is the Rotation and Interior Structure Experiment or RISE antenna, which studies the interior structure of the planet aided by the rotation movement of Mars, tracking the position of the lander and the shifting of the planets north pole to propose models of its moment of inertia.This work is aimed at characterising the surface regolith properties at the site of the Mars InSight lander, landed on Elysium Planitia since November 2018. This comprises experimental investigations on a Martian Regolith Simulant together with some complementary activities. The key questions addressed were the interaction of the SEIS with the Martian regolith in direct contact with its three feet, its very small strain stiffness (in the elastic range), as well as the thermal conductivity and the mechanical effect of atmospheric pressure fluctuations. The experimental work conducted concerns the poorly explored field of soil mechanics under very low stresses and strains (down to 1.75 kPa). Sample preparation is another question explored, since the loosest possible densities of the regolith analogue are utilised to mimic the Martian regolith.The thesis was developed within a joint supervision between the Universidad de los Andes (Bogota, Colombia) and the École des Ponts ParisTech (France). Experimental work was conducted at the facilities of both institutions. A collaborations with PhD student Maria Juliana Chaparro (Los Andes) also helped assess the dynamic properties of the regolith simulant.

La mission Mars InSight de la NASA est une mission Discovery visant à étudier l'intérieur de la planète rouge, et par conséquent à aider à la compréhension de son processus de formation et de celui des autres planètes telluriques. L'un des nombreux fronts d'étude auxquels est confrontée l'équipe scientifique de la mission InSight est l'étude des propriétés du matériau situé en contact direct avec l'atterrisseur et ses instruments, dont certains ont été déployés à la surface de la planète via l'utilisation d'un bras robotique. Cet effort est le but du groupe de travail Near Surface Working Group (NSWG), et les travaux et résultats présentés dans ce document est de fournir des informations pour aider cet objectif de recherche. L'atterrisseur utilise trois instruments principaux pour atteindre ses objectifs scientifiques : le premier est le Seismic Experiment for Interior Structure (SEIS), un sismomètre de haute précision résultant de plusieurs décennies d'efforts menés par des institutions françaises, dont le Centre National des Études Spatiales CNES et l’Institut de Physique du Globe de Paris IPGP ; cet instrument est le plus pertinent pour ce travail. Le deuxième est le Heat and Physical Properties Package (HP3), une sonde thermique conçue pour forer l’intérieur de la surface martienne jusqu’à des profondeurs allant jusqu’à 5 m. La dernière est l'antenne Rotation and Interior Structure Experiment ou RISE, qui étudie la structure intérieure de la planète à l'aide du mouvement de rotation de Mars, en suivant la position de l'atterrisseur et le déplacement du pôle Nord de la planète pour proposer des modèles de son moment d’inertie. Ce travail consiste en plusieurs activités de recherche dans le domaine de la mécanique des sols, réalisées dans le but de caractériser le matériau situé à la surface de l'atterrisseur Mars InSight de la NASA, installé sur Elysium Planitia depuis novembre 2018. Il s'agit principalement d'essais expérimentaux dans un analogue de régolithe martien et quelques activités complémentaires. Les questions clés abordées étaient l'interaction du SEIS avec le régolithe martien de surface en contact direct avec ses trois pieds, la faible rigidité en déformation de ce matériau (comportement en gamme élastique), ainsi que certaines questions spécifiques telles que la conductivité thermique et l’effet des fluctuations de la pression atmosphérique. Les travaux expérimentaux menés représentent notamment une connaissance précieuse dans le monde peu exploré de la mécanique des sols sous de très faibles contraintes et déformations (le plus souvent inférieures à 50 kPa). La préparation des échantillons est une autre question explorée, puisque les densités les plus faibles possibles de l’analogue du régolithe sont utilisées en cherchant à se rapprocher le plus possible des conditions du matériau sur Mars. Le travail de thèse a été développé dans le cadre d'une cotutelle entre l'Université des Andes et l'École des Ponts ParisTech. Les travaux expérimentaux ont été menés dans les installations des deux institutions de recherche et ont été rendus possibles grâce à l'expertise du groupe de recherche et de l'équipe technique affiliée à chaque université et ses laboratoires. Ce document contient une synthèse des points clés de chacun de ces travaux. Certaines collaborations avec la doctorante Maria Juliana Chaparro ont également permis d'évaluer les propriétés dynamiques du matériau analogue du régolithe choisi.

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  • HAL Id : tel-04973392 , version 1

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Citer

Juan-Pablo Castillo Betancourt. Thermo-mechanical properties of a regolith simulant of the mars insight mission site. Géotechnique. École des Ponts ParisTech; Universidad de los Andes (Bogotá, Colombia ; 1948-..), 2023. English. ⟨NNT : 2023ENPC0035⟩. ⟨tel-04973392⟩
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