Particle-based simulation of the landing of MASCOT on Ryugu : engineering aspects and scientific opportunity

Asteroids are minor planets which represent the way in between rocky inner planets and giant gaseous planets. They represent the building blocks and the evolution of the Solar System. Studying them will help us to understand the origin of life that is why they are being seriously considered. This thesis focuses on the Hayabusa 2 mission, launched in December 2014, and its lander MASCOT. It will be the first mission in history to perform: analysis of the crater from images, in-situ operations and sampling. During such a mission is very important to understand what happens during the interaction between the lander and the surface in micro-gravity environment. Performing experiments by simulating microgravity conditions in not an easy task. Parabolic flights have limited capability to simulate very low gravity (minimum 0.05 g). On the other hand, while enabling accelerations down to 0.01 g, experiments in drop-tower have stringent requirements in terms of duration. Lastly, performing tests on the International Space Station (ISS) is expensive. So numerical simulations represent the main way, to investigate the interaction between two bodies in micro-gravity environment. Discrete Element Method (DEM) and Differential Variational Inequality (DVI) are exploited to study the interaction between the lander MASCOT (Mobile Ateroid SCOuT) and the surface of the asteroid Ryugu. Within the simulation, MASCOT hits the soil of Ryugu with a velocity of 19 cm/s with different angles of approach and with different attitude.The angles studied are 0 °, 30° , 45° , 60° with respect the local vertical; and the four different attitude: flat impact, impact on the edge perpendicular to the velocity vector, impact on the parallel to the velocity vector and impact on a corner. In addition, a case with a spin rate of 0.1 rad/ s and angle of approach of 0° has been studied.The granular bed is confined by a cylindrical wall. The container has a radius of 75 cm and two different depth has been tested: 15 cm and 30 cm. The soil is modeled with gravel-like particles with uniform radius distribution of 5 cm and a gaussian distribution with mean radius of 1 cm.The output parameters are: MASCOT’s angular and linear velocities, acceleration, coefficients of resitution, exit angles of MASCOT, mass and distribution of ejecta. These figures of merit are important to analyze the dynamic response of the lander after the impact with the soil and to investigate the ground’s physical properties looking at the crater’s shape and dimension.

Gli asteroidi sono pianeti minori che rappresentano la via di mezzo tra i pianeti rocciosi e i pianeti gassosi. Rappresentano i pezzi fondamentali dell’evoluzione del Sistema Solare. Studiarli ci aiuterà a capire l’origine della vita. Il lavoro di questa tesi si concentra sulla missione Hayabusa 2, lanciata nel Dicembre 2014, e sul suo lander MASCOT. Sarà la prima missione nella storia a compiere le tre operazioni di: analisi dell’asteroide dalle immagini, operazione in-situ e campionamento del terreno. Durante queste missioni è veramente importante capire l’interazione tra il lander e la superficie. Non è un compito facile quello di effettuare esperimenti in un ambiente in presenza di microgravità sulla terra perché i voli parabolici non permettono di raggiungere questa condizione; gli esperimenti in drop-tower sono spesso troppo corti ed effettuare esperimenti sulla Stazione Spaziale Interazionale è molto costoso. Perciò le simulazioni numeriche sono la via principale, fino ad ora, di analizzare l’interazione tra due corpi in condizione di microgravità. Il Metodo ad Elementi Discreti è utilizzato, in questa tesi, per studiare l’interazione tra il lander MASCOT (Mobile Ateroid SCOuT) della missione Hayabusa 2 e la superficie dell’asteroide Ryugu. Nella simulazione MASCOT impatta con il suolo con una velocità nominale di 19 cm /s con differenti configurazioni d’assetto e diversi angoli di approccio. Le configurazioni d’assetto per l’impatto prese in esame sono: impatto su di una supericie del lander, impatto sul bordo perpendicolare rispetto alla direzione della velocità, impatto sul bordo parallelo rispetto alla direzione della velocità e impatto sullo spigolo. I quattro angoli d’approccio sono: 0°, 30°, 45°, 60° rispetto alla verticale locale. Inoltre, in caso di impatto con un lato del lander e angolo di approccio di 0°, è stato analizzato anche l’impatto con una velocità angolare iniziale di 0.1 rad/ s. Il letto granulare è confinato in un contenitore cilindrico di raggio 75 cm e due differenti profondità: 15 cm e 30 cm. Sono stati utilizzati due differenti distribuzioni per le particelle: una con raggio uniforme di 5 cm e una distribuzione gaussiana con raggio medio di 1 cm. Le particelle simulano un terreno ghiaioso. I parametri di merito sono: velocità angolari e lineari di MASCOT, accelerazioni subite, coefficienti di restituzione, angoli di uscita di MASCOT, distribuzione e massa degli ejecta. Questi parametri sono importanti per studiare il comportamento dinamico del lander dopo l’impatto con il suolo e le proprietà fisiche del suolo stesso analizzando la forma e le dimensioni del cratere.