Experimental campaign for contact dynamics in microgravity for asteroid-related scenarios

This work contributes to the hardware design, testing, and post-processing of a microgravity experiment conducted at the ZARM facility during an experimental campaign in Bremen in October/November 2024. The context of this work is the ERC-funded project TRACES. During the campaign, two asteroid simulants are made to collide both in a laboratory setting and under microgravity conditions in ZARM's GraviTower Pro and Drop Tower. In parallel, a simulation using the software Chrono/GRAINS is designed to replicate the collision, aiming to tune contact parameters such as the coefficient of restitution (COR). The goal of the experiment is to achieve experimental validation at the particle level for the multibody numerical contact model implemented in the GRAINS code. Specifically, this work focuses on the preliminary tests performed under ground conditions, to assess the feasibility of the experiment. The activities include the calibration of the cameras used as sensors, the acquisition of the cobbles' mesh models and shapes using a 3D scanner, and the estimation of the initial state and trajectory of the cobbles. Additionally, a validation procedure for the estimation algorithm is presented. Finally, the procedures and setup employed during the GraviTower Pro and Drop Tower experiments are discussed, along with preliminary results from a GraviTower Pro launch. The results demonstrate the feasibility of the experiment, the effectiveness of the cameras used as sensors, and the validity of the estimation algorithm for ground testing. Moreover, the microgravity campaign was successful, and the data acquired from the GraviTower Pro and Drop Tower experiments will be used in the next stages of the project.

Questo lavoro contribuisce alla progettazione hardware, ai test e al post-processing di un esperimento in microgravità condotto presso ZARM durante una campagna sperimentale a Bremen nell' ottobre/novembre 2024. Il contesto di questo lavoro è il progetto TRACES finanziato dall'ERC. Durante la campagna, due simulants di asteroidi entreranno in collisione sia in un ambiente di laboratorio, sia in condizioni di microgravità nella GraviTower Pro e nella Drop Tower di ZARM. Parallelamente, una simulazione con il software Chrono/GRAINS riprodurrà la collisione, con l'obiettivo di ottimizzare i parametri di contatto, come il coefficiente di restituzione (COR). L'obiettivo dell'esperimento è ottenere una validazione sperimentale a livello di particelle per il modello numerico di contatto multibody implementato nel codice GRAINS. In particolare, questo lavoro si concentra sui test preliminari effettuati in laboratorio, per valutare la fattibilità dell'esperimento. Le attività comprendono la calibrazione delle telecamere utilizzate come sensori, l'acquisizione dei modelli e delle forme dei ciottoli tramite scanner 3D, e la stima dello stato iniziale e della traiettoria degli stessi. Inoltre, viene presentata una procedura di validazione per l'algoritmo di stima. Infine, vengono discusse le procedure impiegate durante gli esperimenti nella GraviTower Pro e nella Drop Tower, insieme ai risultati preliminari da un lancio della GraviTower Pro. I risultati dimostrano la fattibilità dell'esperimento, l'efficacia delle telecamere utilizzate come sensori e la validità dell'algoritmo di stima per i test in laboratorio. Inoltre, la campagna in microgravità è stata un successo, e i dati acquisiti dagli esperimenti nella GraviTower Pro e nella Drop Tower saranno utilizzati nelle fasi successive del progetto.