Forage alternatif dual de régolithe extra-terrestre : évolution d’une solution bio-inspirée (Dual Reciprocating Drilling in planetary regoliths : Evolution of a bio-inspired solution) Gouache, Thibault 2011-09-22 Institut Supérieur de l'Aéronautique et de l'Espace, Université de Surrey - Angleterre

Directeur(s) de thèse:  Gourinat, Yves; Gao, Yang Laboratoire :  Département Mécanique des Structures et Materiaux (DMSM) Ecole doctorale :  Aéronautique - Astronautique -AA Classification : Sciences de l'ingénieur

Accès :  Texte intégral Mots-clés : Dual-reciprocating drilling, Forage planétaire, Echantillon extra-terrestre, Mécanique de pénétration, Dérapage, Slippage, Méthode de préparation du régolithe, Simulant régolithe, Densité relative, Exploration du système solaire, Simulation numérique, Méthode par éléments discrets, Graphical processing units, Carte graphique Résumé : Identifier des traces de vie sur la Lune ou sur Mars requiert des forages. Les contraintes très fortes sur les systèmes spatiaux et les environnements à faible gravité nuisent aux performances des foreuses rotatives. Une solution innovante a été identifiée chez un insecte qui creuse dans le bois pour déposer ses oeufs. Des tests ont montré la faisabilité d’imiter cet insecte pour creuser sans force ou appui extérieur. Ce doctorat poursuit le développement du concept de forage bio-inspiré surtout pour forer dans le régolithe extraterrestre. Cette nouvelle technique est nommée « Dual Reciprocating Drilling » (DRD). Tout d’abord, des simulants de régolithe lunaire et martien ont été testés ainsi que leurs méthodes de préparation. DRD a été testé pour la première fois dans du régolithe. L’importance du dérapage (slippage en anglais) a été identifiée. Des mécanismes de pénétration du régolithe par le DRD ont été proposés. Une seconde expérience a permis de raffiner les mécanismes de pénétration du régolithe. L’importance des mouvements latéraux lors du forage a été identifiée. Finalement un code utilisant les éléments discrets a été implémenté sur des GPU (Graphical Processing Units) permettant la première simulation d’interaction tête de forage - régolithe avec plus d’un million de particules. Avant ces travaux, DRD était vu comme capable de développer sa propre force de progression. Dans le régolithe DRD a besoin d’une force externe pour progresser. Cependant DRD permet de réduire cette force (grâce aux mouvements latéraux). Une proposition d’architecture système reflétant cette nouvelle compréhension a été faite. Résumé (anglais) : Identifying traces of life on the Moon or Earth requires drilling. The high constraints on space systems and low gravity environments reduce the performances of rotary drilling. An innovative solution was identified: an insect capable of drilling into wood to lay its eggs. Preliminary tests showed the feasibility of imitating this insect to drill without any exterior force. This PhD continues the development of this bio-inspired drilling concept, focusing it on extra-terrestrial regoliths. This new technique is named « Dual Reciprocating Drilling » (DRD). First of all, Martian and Lunar regolith simulants were tested along with their preparation methods. DRD was tested for the first time in regolith. The importance of slippage was identified. Penetration mechanics of DRD in regoliths were proposed. A second experience allowed to refine the proposed regolith penetration mechanics. The importance of lateral movements during the drilling was identified. Finally, a discrete element code was implemented on GPU (Graphical Processing Units) and allowed the first one million particle simulation of drill head-regolith interaction. Before this research DRD was seen as being able to generate its own penetration force. In regoliths it was shown that DRD requires an exterior force. However DRD allows to reduce the penetration force (through lateral movements). A system architecture reflecting this new vision was proposed. Langue : Anglais

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