Hypervelocity impacts on planetary bodies : modelling craters formation and ejecta plume evolution

Among the processes governing the evolution of the objects in the Solar System, hypervelocity impacts involving planetary bodies represent a complex and challenging case. During such events a huge amount of energy and momentum is introduced in the target body, causing extreme conditions that lead to the displacement of the material and the formation of a crater. High velocity fragments are generated and ejected from the surface, leading to the migration of great quantities of matter at astronomical scales. Modelling correctly the outcomes of this kind of collisions is fundamental for both scientific and engineering purposes. The scientific interest resides indeed in a better understanding of the key procedure for the evolution of the morphology of the bodies and the mass transportations phenomena. On the other hand, mission analysis for robotic explorations that may operate in post-impact environments requires a correct estimation of the risks posed by the generated fragments. Moreover, the recent interest of space agencies in the planetary defence programs has brought to the need of such models for the evaluation of the kinetic impactor strategy for the deflection of asteroids on a collision route with the Earth. In this work the double nature of impact events is investigated, seeking models for both craters formation and the fragments orbital propagation. For the first objective, after a deep analysis of the available formulations in the Computational Solid Mechanics field, the Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) method has been selected. This consists in the most mature among the meshless methods and, although exploiting a Lagrangian formalism, is able to cope with the extreme material deformations that are instantiated by the impact. A model in such numerical framework has been studied and tuned under many aspects entailing both the exploitation of proper geological material formulations and the correct parameter settings for the convergence of the solver. The outcomes of the numerical tool are compared and cross-validated with some analytical scaling laws deeply studied in the literature related to craters formation. The orbital evolution has been instead carried out exploiting typical astrodynamical systems for the long-term propagation in different scenarios. The initial conditions for this objective have been generated with the above cited scaling laws in order to explore in a simple way a wide number of fragments. Two scenarios have been studied for this phase. First the artificial impact of the DART mission has been considered, within the binary asteroid system Didymos. A second case has been studied in the Sun-Jupiter system, consisting in a natural impact among two bodies in the family of the Trojan asteroids.

Fra i processi che governano l'evoluzione degli oggetti nel sistema solare, gli impatti iperveloci comprendenti corpi planetari rappresentano un caso complesso e stimolante. Durante tali eventi, una grande entità di energia e quantità di moto viene introdotta nel corpo impattato, causando condizioni estreme che portano alla movimentazione del materiale e la formazione di un cratere. Dei frammenti ad alta velocità si generano e vengono espulsi dalla superficie, portando alla migrazione di un'elevata quantità di materia su scala astronomica. Modellare correttamente i prodotti di tali collisioni è fondamentale per scopi sia scientifici che ingegneristici. L'interesse scientifico è infatti riposto nella comprensione delle procedure chiave per l'evoluzione della morfologia dei corpi e dei fenomeni di trasporto d massa. Dall'altra parte, l'analisi di misione per esplorazioni robotiche che possano operare in scenari post-impatto richiede una corretta stima dei rischi posti dai frammenti generati. Inoltre, il recente interesse da parte delle agenzie spaziali nei programmi di difesa planetaria, ha portato alla necessità di tali modelli per la valutazione della strategia di impattore cinetico per la deflessione di asteroidi in rotta di collisione con la Terra. In questo studio si investiga la doppia natura degli eventi di impatto, mirando ad ottenere modelli sia per la formazione dei crateri che per la propagazione orbitale dei frammenti. Per il primo obiettivo, dopo un'approfondita analisi delle formulazioni disponibili nel campo della Meccanica dei Solidi Computazionale, si è selezionato il metodo Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). Questo consiste nel più maturo fra i metodi privi di mesh e, nonostante utilizzi un formalismo Lagrangiano, è in grado di gestire le deformazioni estreme del materiale causate dall'impatto. Un modello in questo contesto numerico è stato studiato e tarato sotto vari aspetti, comprendenti sia l'utilizzo di un adeguata formulazione per materiali geologici, che l'impostazione corretta dei vari parametri per la convergenza del solutore. I risultati dello strumento numerico sono comparati e co-validati con delle leggi di scalatura analitiche, ampiamente studiate nella letteratura relativa alla formazione di crateri. L'evoluzione orbitale si è invece condotta sfruttando tipici sistemi astrodinamici per la propagazione a lungo termine in diversi scenari. Le condizioni iniziali a questo scopo sono state generate con le sopra citate leggi di scalatura, al fine di esplorare in maniera semplice un ampio numero di frammenti. Due scenari si sono studiati in questa fase. In primis, l'impatto artificiale della missione DART è stato considerato, all'interno del sistema di asteroidi binario Didymos. Un secondo caso è stato analizzato nel sistema Sole-Giove, consistente in un impatto naturale fra due corpi della famiglia degli asteroidi Troiani.